用11吨重的“时光机”揭开暗能量和宇宙膨胀的神秘面纱

安装在亚利桑那州一架望远镜上的暗能量光谱仪（DESI）绘制了最大的宇宙三维地图，测绘了3000多万个星系和300万个类星体。这项由 900 多名研究人员合作完成的艰巨任务有助于我们了解宇宙的膨胀和暗能量的作用。

DESI绘制了迄今为止最大的宇宙三维地图。地球位于这张完整地图的薄片中心。在放大的部分，很容易看到我们宇宙中物质的底层结构。图片来源：Claire Lamman/DESI合作；cmastro定制的彩色地图软件包

我们现在拥有了有史以来最大的宇宙三维地图，这要归功于安装在亚利桑那州一架望远镜顶端的一台功能强大的仪器，它拥有一个由5000只光纤"眼睛"组成的机器人阵列，可以观察夜空。在过去的五年里，暗能量光谱仪--在科学界被称为DESI--测量了3000多万个星系和300万颗类星体的光谱，以确定宇宙在110亿年里的膨胀速度。

DESI的宣布是一项正在进行的国际合作的成果，该合作由来自70多个机构的900多名研究人员组成，其中包括在该项目中发挥领导作用的加州大学圣克鲁兹分校的天文学家。

然而，尽管这个消息很重大，但他们说这仅仅是个开始。

暗能量光谱仪（DESI）安装在基特峰国家天文台的美国国家科学基金会尼古拉斯-U-梅耶尔 4 米望远镜上。资料来源：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Marenfeld

开拓性发现和未来愿景

加州大学圣克鲁兹分校天文学和天体物理学系副教授阿列克西-莱奥豪德（Alexie Leauthaud）说："如果第一年数据集中暗示的趋势在第三年的分析中得到证实，这将是一个重大发现。作为 DESI 合作的一部分，这将是一个非常激动人心的时刻。"

从七月份开始，Leauthaud 将担任这项工作的发言人--其中包括牵头组织者的职责--因此她完全有能力提供最新信息。加州大学圣克鲁斯分校的其他合作教授包括天文学与天体物理学教授康妮-罗科西（Connie Rockosi）和 J. 泽维尔-普罗查斯卡（J. Xavier Prochaska）。

洛科西领导了基特峰国家天文台 4 米梅耶尔望远镜的仪器调试工作，她现在的角色是仪器科学家，帮助仪器保持最佳运行状态。此外，加州大学圣克鲁兹分校的本科生、研究生和博士后组成的"杰出团队"也功不可没，他们一直积极参与该项目，定期前往亚利桑那州的望远镜帮助观测。

揭开暗能量的神秘面纱

正如DESI所在的劳伦斯伯克利国家实验室在一份公告中解释的那样："了解我们的宇宙是如何进化的，这与它的终结方式息息相关，也与物理学中最大的谜团之一有关：暗能量，一种导致我们的宇宙膨胀得越来越快的未知成分"。

这是科学家们第一次以优于 1%的精度测量年轻宇宙的膨胀历史--让我们对宇宙是如何演化的有了最好的认识。研究人员在多篇论文中分享了他们对第一年所收集数据的分析，这些论文将于今天发布在 arXiv 上，研究人员还在美国物理学会会议和意大利莫里昂德会议上发表了演讲。

在这段360度视频中，您可以利用DESI的坐标数据，在数百万个星系中进行互动式飞行。资料来源：菲斯克天文馆、中大博尔德分校和 DESI 合作项目

斯文-海登里奇（Sven Heydenreich）是加州大学圣克鲁兹分校的一名博士后研究学者，他在DESI身兼数职：担任早期职业科学家委员会委员，利用仪器进行星系间测量，并共同领导一个工作组，预测DESI任务可能延续的不同方案。

"我们的目标是测量DESI星系如何弯曲和扭曲来自其背后更遥远星系的光线，这种效应被称为引力透镜效应，"海登里希说，他于2023年底在基特峰现场工作了一周。"这些测量结果对于分析星系如何受到其周围暗物质分布的影响至关重要。此外，这些结果还将有助于提高我们对描述我们当前宇宙组成和演化模型的参数的理解"。

11 吨重的"时光机"

DESI的组件设计用于自动对准预先选定的一组星系，收集它们的光线，然后将这些光线分割成狭窄的色带，以精确绘制它们与地球的距离图，并测量这些光线到达地球时宇宙膨胀了多少。在理想条件下，DESI 每 20 分钟就可以循环观测一组新的 5000 个星系。

在过去的五年里，DESI反复测绘了天空三分之一区域内数以百万计的星系和类星体的距离，让我们对暗能量和宇宙的历史有了更多的了解。我们目前的理解是，引力减缓了早期宇宙的膨胀速度，但暗能量却加速了宇宙的膨胀。

DESI对全部110亿年膨胀历史的总体精度为0.5%，最遥远的纪元--涵盖过去的80-110亿年--精度达到创纪录的0.82%。对我们年轻的宇宙进行这样的测量是非常困难的。然而，在一年之内，DESI测量早期宇宙膨胀历史的能力已经是其前身（斯隆数字巡天的BOSS/eBOSS）的两倍。

通过观察DESI的地图，我们不难发现宇宙的基本结构：星系簇拥在一起，被天体较少的空洞隔开。在DESI的视野之外，我们的早期宇宙则完全不同：那是一锅由亚原子粒子组成的炙热而浓稠的汤，它们的运动速度太快，以至于无法形成像我们今天所知的原子那样的稳定物质。这些粒子中包括氢核和氦核，统称为重子。

这种早期电离等离子体中的微小波动引起了压力波，使重子移动成波纹状，就像你把一把碎石扔进池塘里所看到的一样。随着宇宙的膨胀和冷却，中性原子形成了，压力波停止了，将涟漪凝固在三维空间中，并使未来的星系越来越多地聚集在高密度区域。数十亿年后，我们仍然可以在星系分离的特征中看到这种微弱的三维涟漪或气泡图案--这种特征被称为重子声振荡（BAOs）。

这段动画展示了重子声波振荡如何充当测量宇宙膨胀的宇宙尺。资料来源：克莱尔-拉曼/DESI 合作和珍妮-努斯/伯克利实验室

研究人员利用 BAO 测量结果作为宇宙标尺。通过测量这些气泡的表观大小，他们可以确定天空中这种极其微弱图案的物质的距离。通过对 BAO 气泡远近的测绘，研究人员可以将数据切成小块，测量宇宙在过去每个时间段的膨胀速度，并模拟暗能量对膨胀的影响。

俄亥俄大学教授、DESI BAO 分析联合负责人徐熙钟（音译）说："我们测量了这一巨大宇宙时间范围内的膨胀历史，其精确度超过了之前所有 BAO 勘测的总和。我们很高兴了解这些新的测量结果将如何改善和改变我们对宇宙的认识。人类对我们的宇宙有着永恒的迷恋，既想知道它是由什么构成的，又想知道它将会发生什么"。

编译来源：ScitechDaily