揭秘宇宙膨脹之謎 發現暗能量被「激活」事件

　　據國外媒體報導，科學家發現在大約六十億年前，宇宙正在發生一場基本性質的變革，宇宙在內部所包含的萬物引力作用下正逐漸減緩膨脹的速度，隨著膨脹導致的物質間疏遠，密度下降，暗能量接管了宇宙的主導權，開始了直至今日加速膨脹過程。現在，重子振蕩光譜巡天（BOSS）計劃作為斯隆巡天III（SDSS III）最大的組成部分，以迄今最高的測量精度對六十億年前那段宇宙變革時期繪製大尺度的分布地圖，研究暗能量被「激活」時的情況。

從宇宙大爆炸的微波背景輻射到38億年前的星系分布圖

　　根據隸屬於美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室 (伯克利實驗室）物理組的科學家、重子振蕩光譜巡天（BOSS）的首席物理學家大衛施萊格爾（David Schlegel）介紹：我們已經繪製出宇宙在大爆炸後的五億至七億年間精確的大尺度結構圖，這是對銀河系之外的宇宙物質進行最詳細的測量。我們的目的是將時間的箭頭推往六十億年前的宇宙變革期，試圖通過相關模擬實驗找出由暗能量被「激活」導致的宇宙加速膨脹原因。

　　然而，如何測量宇宙的加速膨脹的速率呢？早在十四年前，伯克利實驗室與高紅移超新星搜索小組（High-z Supernova）進行的兩個超新星宇宙學計劃發現了宇宙加速膨脹的現象，因此2011年的諾貝爾獎授予了超新星宇宙學計劃的科學家佩爾穆特（Saul Perlmutter）與高紅移超新星搜索小組成員布賴恩施密特（Brian Schmidt）和亞當（Adam Riess）。高紅移超新星搜索原理則根據1a型超新星的紅移值來推算宇宙加速膨脹的速率。科學家認為暗能量可能具有我們前所未知的行為方式。

　　研究暗能量在宇宙加速膨脹中所起的作用，首先要了解詳細的膨脹歷史過程，探索宇宙膨脹過程與搜尋超新星並計算紅移值不同，重子振蕩光譜巡天使用了一種被稱為重子聲學振蕩（BAO）的技術來確定遙遠星系的距離。該技術是通過測量震蕩波在宇宙大尺度結構上形成的高密區，以發現暗能量在其中所起的作用。大尺度結構上的宇宙如同一張纖細而留有空隙的網，星系團則是最密集的突起結構，由於其具有循環規律性，因此科學家可以通過精確測量星系對之間的角度推出它們的距離，如果這個角度值越小，那麼他們的距離就更遠。

　　了解到觀測對象的距離也就知道了它們的年齡，因為光速是恆定的。宇宙的加速膨脹可以由被觀測天體的紅移值來衡量，當地球所接受到的遙遠天體光譜向紅光方向移動時，這就說明它遠離我們而去。根據伯克利實驗室物理學家、加州大學伯克利分校天文學與物理學教授、重子振蕩光譜巡天科學小組負責人馬丁懷特（Martin White）認為：重子振蕩光譜巡天計劃掃描了3275平方度的天區，建立起32.73萬個星系的三維空間地圖，對宇宙高密度區域進行了巨大樣本調查，是該巡天計劃的第一大成果。重子振蕩光譜巡天發現的平均紅移值為0.57，相當於60億光年。

　　重子聲學振蕩起源於重子有規則地「團聚」，當宇宙還處於光和物質混沌在一起的類似一鍋「湯」的時期，在聲波穿過宇宙形成了有規則變化的高密區。在大爆炸之後在38萬年，高速膨脹的時空冷卻了這鍋「湯」的溫度，使得重子凝結成氫原子，而看不見的暗物質也屬於這鍋「燙」的一部分。這一時期宇宙密度的變化可被宇宙微波背景輻射的溫度變化所記錄下來，在微波背景輻射信號越「溫暖」的區域，其物質密度就更大些。

　　因此，可以通過宇宙微波背景輻射來確定重子聲學振蕩的基本尺度，進而推出宇宙加速膨脹的歷史過程。如果暗能量不是一種未知的力場或者某種物質，而是作為愛因斯坦廣義相對論的一個缺陷，那麼我們是否要建立一個更好的引力理論？廣義相對論預言一個星系團以多快的速率相對另一個星系團運動，那麼疊加起來的效應就能導致宇宙的大尺度結構以相同的速率發生膨脹，這就意味著任何偏離該理論預測值的發現都可使得廣義相對論出現缺陷。

　　勞倫斯伯克利國家實驗室科學家貝絲裡德（Beth Reid）認為：我們在過去依靠紅移來推算宇宙的膨脹速率，但是紅移值卻不是各處都相同的，因為星系在隨著宇宙加速膨脹過程中，也有自己的運動速度，而星系團更「喜歡」往高密度的區域聚集。因此，對於精確確定宇宙的加速膨脹，就需要合適的工具和理論。重子振蕩光譜巡天獲得了位於新墨西哥州阿帕奇山的Apache Point天文臺2.5米斯隆數位化廣域巡天望遠鏡的支持，該望遠鏡目前依然是世界上最強的寬視場光譜設備。通過每15分鐘一次的曝光，可以覆蓋三度的天區，一千個光纖使用手工安裝到鋁製插件槽並定位望遠鏡的焦平面。

　　據伯克利實驗物理學家史蒂芬貝利（Stephen Bailey）介紹：由重子振蕩光譜巡天收集到的所有數據都通過伯克利實驗室中的一個特製數據處理管道，將其轉換為我們可利用的形式，目標是統計出數十萬計的星係數目，將它們的二維坐標標出，附上對應的紅移值，最終的統計規模將超過百萬個星系，計劃將持續到2014年，全部的數據處理由黎曼計算機群完成。

　　當前的宇宙模型認為我們的宇宙是一個歐式幾何結構，產生於137億年前的大爆炸，其中四分之一是暗物質，諸如星系、恆星等可見物質僅僅佔了幾個百分點，餘下的組分被認為暗能量，即愛因斯坦的宇宙常數。物理學家大衛施萊格爾認為：迄今為止，我們取得了對暗能量最低限度的觀察，宇宙常數可能是一種最簡單的解釋，但是事實上，宇宙常數是未經過任何驗證的，但其符合觀測數據，而我們也僅有這麼一點數據，如果暗能量被「激活」的宇宙時期潛伏著某種驚人的奧秘，我們希望能發現它。