揭示宇宙的远古历史

文/铁文霖

日本国家天文台、东京大学以及其他机构的研究者已开始使用建在夏威夷的斯巴鲁望远镜上的新型广角相机Hyper Suprime-Cam来探测宇宙暗物质的分布情况，探测的区域十分广阔。最初，他们对巨蟹座附近的一片大小为2.3平方度的区域展开探测，结果发现了9个巨大的暗物质团，每一个暗物质团的质量都相当于一个星系群。暗能量左右着宇宙的膨胀，要了解暗能量所起的作用，就必须研究暗物质的分布情况和这种分布的变化规律。最初的观测结果表明，天文学家已具备了一定的技术和手段，他们有能力去了解暗能量。因此，研究小组的下一步是要把探测范围扩大至1000平方度，并以此来揭开暗能量和宇宙膨胀之谜。

暗能量制约了宇宙的膨胀。 要想弄清楚暗能量的性质，先要摸清暗物质在广阔宇宙中的位置，这是基础，也是关键。最初的观测结果表明，借助现有的研究技术和Hyper Suprime-Cam相机，研究小组有能力探究宇宙中暗物质分布的变化规律，解开暗能量之谜，从而全面仔细地研究宇宙的膨胀过程。

聪宫崎骏博士是Hyper Suprime-Cam的主要研制者，在日本高级技术中心下辖的国家天文台工作，是研究小组组长。他对Hyper Suprime-Cam的拍摄能力予以了肯定。“现在，我们既有技术又有设备，我们有能力去探索暗能量。我们准备用Hyper Suprime-Cam的探测数据绘制一张暗物质位置图，它将涵盖1000平方度的区域，全面而准确地揭示宇宙的膨胀过程。”

1929年，天文学家埃德温·哈勃发现宇宙在膨胀。自那以后，天文学家就沿用着一个暂时为人所接受的理论模型，这个模型中包含着一个宇宙膨胀速度参数，速度值会随时间推移而变小。以前，引力是人们所知的唯一作用于星系之间的力，它抑制着宇宙的膨胀。但是，在20世纪90年代，天文学家研究遥远的超新星的时候，他们发现宇宙在加速扩张。

科学家只有打破对物理学的固有认识，才能明白他们发现了什么：他们要么相信宇宙间存在着某种暗能量，它产生的斥力迫使众多星系相互远离，要么就得对引力物理做根本性修正。

宇宙膨胀速度与天体形成速度之间存在着某种关系，研究这种关系有助于解开宇宙加速扩张的奥秘。比如，如果宇宙正在快速膨胀，那么星系的聚合成形过程就会变长。反之，如果宇宙在缓慢地膨胀，那么像星系这种天体结构的形成速度就会加快。实际上，天体结构的形成与宇宙膨胀是有直接联系的。人们很难证明暗物质的存在，也难以证实它影响着宇宙的扩张，其中难就难在宇宙中的大部分物质都是暗淡无光的。由于望远镜是依靠聚光来成像的仪器，所以人们没法直接用望远镜观测不发光的东西。

有一种技术可以克服这一困难，那就是“弱透镜效应”的探测分析技术。暗物质团就像个透镜，它能让从后方遥远天体射来的光线偏转。也许，通过分析背景光的偏转程度以及背景天体形状的变形程度，人们就能弄清前景中的暗物质是如何分布的。通过对暗物质以及暗物质对空间的弯曲作用的分析，天文学家理清了暗物质聚集的过程。暗物质的聚集过程可能与宇宙的膨胀过程有关，而暗能量的某些物理性质、能量的强弱及变化情况可能也会随着暗物质的凝聚而显露出来。

为了获得足够的数据，天文学家需对遥远的星系进行观察，那些星系与我们的距离超过了10亿光年，分布区域超过10 0 0平方度（大约占整个天空区域的1/40）。以前，天文学家曾把斯巴鲁望远镜和Suprime-Cam结合使用，以在广阔的区域内搜寻遥远的昏暗天体，颇见成效。这两个设备都是高规格设备，斯巴鲁望远镜的光圈直径为8.2米，Hyper Suprime-Cam的前身Suprime-Cam的观测视野为0.1平方度（相当于月亮大小）。

但这次， 即使是如此高性能的观测设备也看不了那么远，天文学家无法用它来观测那片10 0 0平方度的区域。聪宫崎骏博士说：“因此，我们用了10年时间研制Hyper Suprime-Cam，它的图像质量和Suprime-Cam相差不多，但视野大了7倍多。”

2012年，人们给斯巴鲁望远镜装上了Hyper Suprime-Cam。经过测试性观测，该望远镜于2014年3月开始成为天文学界的共用设备。另外，一个“具有战略意义”的观测计划也已付诸实施，按计划，天文学家要在5年里做300多次夜间观察。这架相机拥有8.7亿像素，一张胶片就可以拍下9个月亮那么大的区域，而且几乎没有失真，图像解析度可达到0.0001度（0.5弧秒）。

日本国家天文台、东京大学及其合作机构的研究者使用弱透镜效应分析技术分析了Hyper Suprime-Cam在试用期间拍下的资料。这些照片是天文学家花了2小时拍下来的，拍摄范围为2.3平方度，照片上的众多星系清晰可辨。通过判断各星系自身的形状，研究小组为前景中看不见的暗物质制作了一张天体图。最后，他们发现了9个暗物质团，每个暗物质团的质量都等同于一个星系群。Hyper Suprime-Cam发现的暗物质团的周围有许多星系群的虚像，天文学家用其他望远镜看到了与虚像相对应的真正的星系群。这一观测结果证明弱透镜效应分析技术是可靠的，由该技术得到的暗物质天体图也是可信的。天文学家用深空引力透镜对观测档案中的数据做了星团光学识别。

Hyper Suprime-Cam拍到的星系群的数量超过了天文学家根据现在的远古宇宙演化模型推测出的星系群数量。由于研究小组把暗物质搜寻范围扩大到了他们期望的1000平方度，所以他们应该能从这些数据中分辨出这种实际值超出理论值的现象究竟是真实情况还是统计上的巧合。如果实际值真的大于理论值，就说明存在于远古宇宙中的暗能量并没有人们料想的那么强，这为宇宙的缓慢膨胀提供了条件，也使得恒星和星系得以快速形成。

利用弱引力透镜效应搜寻暗物质的做法就是利用与天体质量相关的特性来寻找天体，人们在发现某一天体的同时，也测算出了它的质量。用此方法，人们可以直接得到天体质量，而用其他寻找方式就做不到这一点。因此，研究暗物质的质量分布是准确了解宇宙膨胀的重要方法。