宇宙的新畫像

苗千

只有掌握了精確的工具和正確的技法，人類才可能給宇宙畫出精確的肖像，這是人類理解宇宙、理解自身的第一步。

暗能量巡天項目的主要設備是位于智利境內的“布蘭科望遠鏡”，它內部裝有一臺超過5.7 億像素的“暗能量相機”

畢竟黑暗才是宇宙的主色調。人類生活在銀河系的邊緣，在銀河系中大約有數以千億計的恒星，而宇宙中又大約有數以千億計銀河系規模的星系——當然這一切只是目前人類粗糙的估算而已，想要為整個宇宙畫一幅精確的物質分布的畫像絕非易事，而根據最近天體物理學家的一些新發現，無論是在銀河系的周圍，還是在數十億光年之外，宇宙的面貌很可能都與人們此前的想象有很大不同。

由來自6個國家、25個研究機構，超過300名科學家共同工作的暗能量巡天（Dark Energy Survey）項目，利用世界上最強大的數字照相機對宇宙的各方向進行快照。暗能量巡天項目使用的被稱為DECam的相機，是世界上最靈敏的廣角數字相機之一，它的每張照片都能夠覆蓋（從地球上看來）20個月亮面積大小的宇宙區域，而且對于微弱的光線極為敏感，能夠探測到來自微暗星系的信號。這個原本希望探測神秘的推動宇宙加速膨脹的暗能量本質的項目，卻在令人意想不到的領域里取得了突破。

最近，一個劍橋大學的研究小組和暗能量巡天項目的科學家們通過分析數以億計的數字照片，在銀河系的周圍又發現了8個極為黯淡的矮衛星星系。矮衛星星系是距離銀河系最小也是最近的星系，這種小型的天體圍繞在大星系周圍。因為它們極為黯淡，天體物理學家們即使是利用最先進的技術進行探測，也只能發現圍繞在銀河系附近的目標，但是如果在宇宙中其他星系的情況與銀河系類似，周圍也都圍繞著眾多的矮衛星星系，那么宇宙空間就很有可能比人們此前設想的更加擁擠。天體物理學家們分析，銀河系這樣的大星系有可能是由眾多的衛星星系合并而形成，因此研究矮衛星星系對于理解銀河系的形成過程有重要意義。

相比于含有數以千億顆恒星的銀河系，矮衛星星系可能只擁有1000顆左右的恒星（目前發現的最黯淡的矮衛星星系只含有500顆左右恒星），其亮度只是銀河系的十億分之一，而質量則只是銀河系的百萬分之一。在2015年之前，科學家們一共只發現了銀河系周邊的20多個矮衛星星系，而在2015年一年以內，科學家們就已經發現了20個矮衛星星系，數目翻倍，其中的17個是由暗能量巡天項目發現的，距離地球最近的矮衛星星系只有8萬光年，距離地球最遠的也只有70萬光年。這些新發現的矮衛星星系大多都在暗能量巡天項目所專注的南天球、大小麥哲倫星云附近。而科學家們相信，這只是一個開始，未來必定會通過暗物質巡天項目發現更多的類似天體。

暗能量巡天項目的目標是為了探測撕裂宇宙的暗能量，但目前這個項目對于研究把星系聚合在一起的暗物質同樣意義重大。矮衛星星系雖然黯淡，但物理學家們認為那里正是暗物質聚集的區域，矮衛星星系質量的99%可能來自暗物質，這讓物理學家們尤其感到激動，因為目前人類的暗物質模型預測了在銀河系周圍存在著暗物質為主的矮衛星星系（矮衛星星系還有可能擁有其自身的衛星星系），這些矮衛星星系將是人類研究暗物質性質的絕佳目標。

除了對銀河系周邊區域的新探索，科學家們還一直希望能夠找到描繪宇宙面貌的新方法。想要建立整個宇宙的物質分布三維地圖，必須有測定宇宙間天體距離的精確方法，而這正是目前宇宙學觀測中的一個難題。只有能盡量精確地估算宇宙中天體的距離，天體物理學家們才能將其與各種關于宇宙的理論模型進行比較。目前人們主要通過宇宙中一些星光（標準燭光）的亮度和到達地球的光線的紅移來估算距離，但是這兩種方法都很容易受到干擾，容易出現較大的偏差。

美國西維吉尼亞大學的物理學家鄧肯· 洛里默

在2007年，西維吉尼亞大學的物理學家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）在澳大利亞Parks天文望遠鏡搜索脈沖星信號時在小麥哲倫星云方向發現了一種快速射電爆發，這種寬頻帶的射電爆發只會持續幾毫秒，但是會在瞬間釋放出巨大的能量。因為到達地球的路途遙遠，科學家們發現，不同波長的快速射電爆發信號到達地球的時間也有所差別，長波信號比短波信號更遲到達地球，遲到的時間與波長的平方成正比，這種彌散現象是由電磁輻射在穿過帶電等離子體區域時造成的。所謂的帶電等離子區域，正是分布在宇宙空間中的極為稀少的自由電子所在的區域。因此，能夠造成這樣的結果，說明發生快速射電爆發的天體距離地球極遠，估計在30億光年之外。

天體物理學家們已經觀測到了10個類似的快速射電爆發現象，有人認為，這種原因尚不為人所知的宇宙現象可能為人類提供一種新型的測量天體距離的方法。2015年9月18日，加拿大英屬哥倫比亞大學的科學家克里斯·希格森（Kris Sigurdson）與同事在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜志發表論文《彌散距離與宇宙空間的物質分布》（Dispersion Distance and the Matter Distribution of the Universe in Dispersion Space），提出了一種利用快速射電爆發現象估算天體距離的理論方法。這種方法基于一種比較簡單的假設：宇宙空間中分布的自由電子密度相似，而且造成快速射電爆發彌散現象的主要原因就是電磁輻射在到達地球的路線中所穿過的充斥著自由電子的區域。實際情況可能會更加復雜，造成快速射電爆發信號彌散現象的不僅與等離子密度有關，也可能與發生爆發的環境有關，人們自然是無從得知當時的環境，而且在宇宙空間中自由電子的密度也不相同，因此可能需要對于估算距離的模型進行修改。但是由于人類目前并沒有太多測量宇宙中大距離的方法，因此“任何新方法都歡迎”。

在現代社會中，人們已經可以在極大程度上掌握自己的生活，也可以根據自身的愿望，極大程度地改變地球上的生態環境，人類文明已經到達了極高的水平。只有當人類凝望宇宙時，才會感受到自身的渺小和無知，感受到對于宇宙的迷茫。

（本文寫作參考了暗能量巡天項目和《物理評論快報》雜志的報道）