宇宙的新画像

苗千

只有掌握了精确的工具和正确的技法，人类才可能给宇宙画出精确的肖像，这是人类理解宇宙、理解自身的第一步。

暗能量巡天项目的主要设备是位于智利境内的“布兰科望远镜”，它内部装有一台超过5.7 亿像素的“暗能量相机”

毕竟黑暗才是宇宙的主色调。人类生活在银河系的边缘，在银河系中大约有数以千亿计的恒星，而宇宙中又大约有数以千亿计银河系规模的星系——当然这一切只是目前人类粗糙的估算而已，想要为整个宇宙画一幅精确的物质分布的画像绝非易事，而根据最近天体物理学家的一些新发现，无论是在银河系的周围，还是在数十亿光年之外，宇宙的面貌很可能都与人们此前的想象有很大不同。

由来自6个国家、25个研究机构，超过300名科学家共同工作的暗能量巡天（Dark Energy Survey）项目，利用世界上最强大的数字照相机对宇宙的各方向进行快照。暗能量巡天项目使用的被称为DECam的相机，是世界上最灵敏的广角数字相机之一，它的每张照片都能够覆盖（从地球上看来）20个月亮面积大小的宇宙区域，而且对于微弱的光线极为敏感，能够探测到来自微暗星系的信号。这个原本希望探测神秘的推动宇宙加速膨胀的暗能量本质的项目，却在令人意想不到的领域里取得了突破。

最近，一个剑桥大学的研究小组和暗能量巡天项目的科学家们通过分析数以亿计的数字照片，在银河系的周围又发现了8个极为黯淡的矮卫星星系。矮卫星星系是距离银河系最小也是最近的星系，这种小型的天体围绕在大星系周围。因为它们极为黯淡，天体物理学家们即使是利用最先进的技术进行探测，也只能发现围绕在银河系附近的目标，但是如果在宇宙中其他星系的情况与银河系类似，周围也都围绕着众多的矮卫星星系，那么宇宙空间就很有可能比人们此前设想的更加拥挤。天体物理学家们分析，银河系这样的大星系有可能是由众多的卫星星系合并而形成，因此研究矮卫星星系对于理解银河系的形成过程有重要意义。

相比于含有数以千亿颗恒星的银河系，矮卫星星系可能只拥有1000颗左右的恒星（目前发现的最黯淡的矮卫星星系只含有500颗左右恒星），其亮度只是银河系的十亿分之一，而质量则只是银河系的百万分之一。在2015年之前，科学家们一共只发现了银河系周边的20多个矮卫星星系，而在2015年一年以内，科学家们就已经发现了20个矮卫星星系，数目翻倍，其中的17个是由暗能量巡天项目发现的，距离地球最近的矮卫星星系只有8万光年，距离地球最远的也只有70万光年。这些新发现的矮卫星星系大多都在暗能量巡天项目所专注的南天球、大小麦哲伦星云附近。而科学家们相信，这只是一个开始，未来必定会通过暗物质巡天项目发现更多的类似天体。

暗能量巡天项目的目标是为了探测撕裂宇宙的暗能量，但目前这个项目对于研究把星系聚合在一起的暗物质同样意义重大。矮卫星星系虽然黯淡，但物理学家们认为那里正是暗物质聚集的区域，矮卫星星系质量的99%可能来自暗物质，这让物理学家们尤其感到激动，因为目前人类的暗物质模型预测了在银河系周围存在着暗物质为主的矮卫星星系（矮卫星星系还有可能拥有其自身的卫星星系），这些矮卫星星系将是人类研究暗物质性质的绝佳目标。

除了对银河系周边区域的新探索，科学家们还一直希望能够找到描绘宇宙面貌的新方法。想要建立整个宇宙的物质分布三维地图，必须有测定宇宙间天体距离的精确方法，而这正是目前宇宙学观测中的一个难题。只有能尽量精确地估算宇宙中天体的距离，天体物理学家们才能将其与各种关于宇宙的理论模型进行比较。目前人们主要通过宇宙中一些星光（标准烛光）的亮度和到达地球的光线的红移来估算距离，但是这两种方法都很容易受到干扰，容易出现较大的偏差。

美国西维吉尼亚大学的物理学家邓肯· 洛里默

在2007年，西维吉尼亚大学的物理学家邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）在澳大利亚Parks天文望远镜搜索脉冲星信号时在小麦哲伦星云方向发现了一种快速射电爆发，这种宽频带的射电爆发只会持续几毫秒，但是会在瞬间释放出巨大的能量。因为到达地球的路途遥远，科学家们发现，不同波长的快速射电爆发信号到达地球的时间也有所差别，长波信号比短波信号更迟到达地球，迟到的时间与波长的平方成正比，这种弥散现象是由电磁辐射在穿过带电等离子体区域时造成的。所谓的带电等离子区域，正是分布在宇宙空间中的极为稀少的自由电子所在的区域。因此，能够造成这样的结果，说明发生快速射电爆发的天体距离地球极远，估计在30亿光年之外。

天体物理学家们已经观测到了10个类似的快速射电爆发现象，有人认为，这种原因尚不为人所知的宇宙现象可能为人类提供一种新型的测量天体距离的方法。2015年9月18日，加拿大英属哥伦比亚大学的科学家克里斯·希格森（Kris Sigurdson）与同事在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志发表论文《弥散距离与宇宙空间的物质分布》（Dispersion Distance and the Matter Distribution of the Universe in Dispersion Space），提出了一种利用快速射电爆发现象估算天体距离的理论方法。这种方法基于一种比较简单的假设：宇宙空间中分布的自由电子密度相似，而且造成快速射电爆发弥散现象的主要原因就是电磁辐射在到达地球的路线中所穿过的充斥着自由电子的区域。实际情况可能会更加复杂，造成快速射电爆发信号弥散现象的不仅与等离子密度有关，也可能与发生爆发的环境有关，人们自然是无从得知当时的环境，而且在宇宙空间中自由电子的密度也不相同，因此可能需要对于估算距离的模型进行修改。但是由于人类目前并没有太多测量宇宙中大距离的方法，因此“任何新方法都欢迎”。

在现代社会中，人们已经可以在极大程度上掌握自己的生活，也可以根据自身的愿望，极大程度地改变地球上的生态环境，人类文明已经到达了极高的水平。只有当人类凝望宇宙时，才会感受到自身的渺小和无知，感受到对于宇宙的迷茫。

（本文写作参考了暗能量巡天项目和《物理评论快报》杂志的报道）