138亿年前的宇宙绝响 | 赛先生天文
我们如何了解138亿年的宇宙在诞生之初的故事？如果没有所谓的时光机，这几乎是一个不可能的事。但我们所处的宇宙神奇之处就在于，总有一些痕迹与绝响跨过百亿年的时间长河，被我们捕捉到。本期赛先生天文，让我们跟随作者的脚步，聆听宇宙诞生初期的绝响，一窥暗物质、暗能量的痕迹。
赵成 | 撰 文
王馨心、吕浩然 | 责 编
“遂古之初，谁传道之？”我们的先人在2500年前就已经对宇宙的起源、结构和演化进行了系统性的思考，并对当时的宇宙观提出了深刻的诘问，是为“天问”。今天，借助广泛、精密的天文观测，我们对宇宙的认知早已同古人判若云泥。然而，现代宇宙论中亦多有奇幻难解之处，使得今人在夜观苍穹之时，也不免感慨系之、生出更多疑问和遐想来。这种对于自然规律的好奇心古今皆同，使得宇宙学天然具有一种人性的、文化的浪漫。
从古至今，人们对于宇宙最直观的感受，当属它的广袤无垠。随着现代天文学的发展，我们对于宇宙的辽阔更是有了定量的认识。天文学上的距离通常是用光在真空中沿直线旅行一定的时间后所通过的距离来计量的，光走1年通过的距离就是1光年，约9.5万亿千米。那么宇宙有多大呢？可观测宇宙的半径大约有450亿光年。相较之下，人类的足迹最远只到过约1.3光秒之外的月球，而最远的人造物——旅行者1号，也才“旅行”了不到一光日。因此，人类的存在和影响力相对于宇宙尺度来说，实在是太过渺小，小到我们甚至难以对自己的渺小程度产生直观的感受。然而，就是这么微不足道的人类，竟有能力一窥支配整个宇宙的物理法则，乃至预言宇宙尺度上的自然现象。这又让宇宙学显出一种科技的、文明的浪漫。
因此，宇宙学的研究，既是在满足人类好奇心的极限，也是在挑战人类想象力的极限。长久以来，这门古老的学科一直驻足于哲学上的思辨，直到1915年爱因斯坦提出广义相对论开始，宇宙学才真正成为一门系统、严谨的科学。随后的大爆炸理论更是将最宏大的宇宙与最微小的微观粒子紧密地联系在了一起，让物理学上的“极大”与“极小”以一种奇妙的方式相遇，仿佛“衔尾蛇”一样（图 1）。近30年来，得益于技术的发展，各式各样的宇宙学观测项目如雨后春笋般层出不穷，新进展数不胜数。千禧年后授予宇宙学相关研究的诺贝尔物理学奖就有5次（2006/2011/2017/2019/2020）。可以说，我们正处于宇宙学发展的“黄金时代”。
天文观测促使宇宙学进入“黄金时代”的同时，也对物理学提出了重大的挑战。粒子物理学的标准模型预言的所有基本粒子均已被发现，而以宇宙微波背景辐射（CMB）为代表的的观测却表明这些已知粒子只占到了现今宇宙能量组成的5%左右，正是这5%，组成了我们，以及我们看得见、摸得着的万事万物。而在我们一切经验之外的那95%中，有约25%是暗物质，约70%是暗能量（图 2）。这“两暗”可谓是笼罩在现代物理学上的两朵“乌云”，是对粒子物理标准模型的严峻考验，却也可能孕育着下一代物理学革命。
早在90年前，天文学家就注意到，某些星系团不足以通过可见物质的引力来维持自身结构。也就是说，必然有某种不可见的物质提供了额外的引力，这是最早的暗物质观测证据[2]。此后，暗物质的存在得到了越来越多独立观测数据的证实，并开始被广泛接受。1998年，美国加州伯克利大学索尔·珀尔马特研究组和澳大利亚国立大学布莱恩·施密特及美国约翰·霍普金斯大学亚当·里斯合作组两个超新星研究小组独立发现了宇宙的加速膨胀[3,4]，这意味着宇宙中必然存在着某种斥力，否则，在引力的作用下，宇宙只会坍缩或者减速膨胀。于是，人们普遍将这种斥力归因于神秘的暗能量。
现今的标准宇宙学模型预言，从宇宙诞生约5万年左右起，宇宙中的物质在能量组成中先是占据主导地位。此时的宇宙是减速膨胀的，这一阶段持续了100亿年左右。到距今约40亿年前，暗能量开始逐渐占据上风，并驱使宇宙加速膨胀。另一方面，引力会使物质聚集，从而产生星系、星系团，乃至超星系团等结构。然而，宇宙的膨胀却会带动物质相互分离，从而阻止或者减缓结构的形成。因此，如果能测量宇宙的膨胀历史和结构形成历史，我们便能知悉暗物质和暗能量的一些特性，从而加深对这两朵“乌云”物理本质的理解、甚至取得解开它们奥秘的钥匙。
要想考察宇宙的演化历史，最直接的办法就是测量宇宙中的物质在不同历史时期的分布，绘制一幅三维的宇宙地图。值得一提的是，由于光速有限，天体愈是遥远，它们的光线到达地球所需的时间就愈长。因此，即使是三维空间中的宇宙地图，也自然会带有时间演化的信息，让我们得以回溯宇宙的历史。这幅地图最基本的组成单元主要是星系，我们的任务便是尽可能详尽地普查宇宙中星系的三维坐标。
物体在天空中的二维坐标相对容易获得，然而要测定它们的距离却殊为不易。为此，我们需要测量星系的光谱，也就是星系光线中不同颜色成分的强度分布。同一类星系的光谱中往往包含一些特定的特征，通过比较不同星系光谱中这一特征的颜色，我们就能计算出星系的“红移”，也就是光线变红（波长增大）的程度。而星系的红移主要是由宇宙膨胀引起的，它们距离我们越远，红移就越强。因此，由星系的红移我们便能推知它们的距离。这就是为什么绘制宇宙三维地图的观测项目通常被称为“星系光谱巡天”或者“星系红移巡天”。
斯隆数字化巡天（SDSS）项目利用口径2.5米的SDSS望远镜，在21世纪的前二十年一共测量了数百万个星系的光谱，由此我们绘制了从110亿年前至今的宇宙三维地图[5]（图 3）。这是迄今为止最全面、最详尽的宇宙地图。为此，SDSS望远镜搭载了接有1000条光纤的光谱仪，其中每条光纤均可将一个独立天体发出的光线导入光谱仪中进行光谱测量。而目前最大的星系光谱巡天——暗能量光谱仪（DESI）使用的是口径4米的梅尔（Mayall）望远镜，并搭载有5000条光纤，仿佛凝视深空的5000只眼睛。它们理论上可以同时测量5000个不同星系的光谱，从而大大提高了巡天效率。DESI自2021年起开始运行，在3个月内便已测量了超过百万个星系的光谱，并计划到2026年将这一数字扩充至3千万。
有了三维地图，我们还需要从中提取出宇宙的演化信息。幸运的是，星系的分布中隐藏着一把可以用于丈量宇宙大小的“标准尺”。这把“尺子”会随着宇宙的膨胀等比例地变长，因此，测得了这把“尺子”的长度变化过程，也就知道了宇宙的膨胀历史[6]。
这把尺子的形成还得从宇宙的早期说起。宇宙诞生之初，各处的密度虽十分均匀，但局部仍然存在微小的起伏。这种密度的不均匀性会以声波的形式向外传播，形成一个球壳形的波纹，就像在平静的水池里滴入一滴水所形成的涟漪一样。到宇宙38万岁时，由于宇宙的温度随着膨胀不断降低，这种声波会突然被冻结住。“涟漪”便不再向外扩散，而是固定在时空背景之上，只随着宇宙的膨胀而逐渐变大（图 4）。这曲遥远宇宙华章的绝响便遗留至今，直到被我们“听见”。
从星系的分布中，我们能测量到不同距离处这一“涟漪”的半径，从而获知宇宙在不同历史时期中的大小。SDSS项目正是据此，独立于CMB和超新星的观测得到了宇宙加速膨胀的结论[7]。同时，人们还在继续深入挖掘已有的宇宙三维地图数据，试图从宇宙过去110亿年中的膨胀经历中获知暗能量演化的更多细节。这也是一代又一代星系巡天项目孜孜以求的目标。
目前，我们对暗物质和暗能量的了解仍十分有限，这是因为现有的数据依然不足以支持我们对这“两暗”的性质作出太多确切的断言。然而，随着观测数据的稳步增长，我们对逐步揭开它们神秘的面纱的结局有着越来越强的信心。只是这一过程仍然长路漫漫，需要大量的人力物力投入。
人力方面，参与过SDSS项目的研究人员大部分也都活跃在DESI项目中，很多曾经的新手如今已陆续开始组建独立的团队，迎来更多年轻的血液。DESI项目在1000余名研究人员的协力同心下，正顺利地进行着。除了中科院国家天文台、上海天文台、北京大学、上海交通大学、清华大学等国内机构以外，还有一大批在海外研学的中国学者参与其中。物力方面，欧洲和美国都在计划下一代的大型星系光谱巡天，而由清华大学牵头、筹建于青海冷湖口径6.5米的宽视场巡天望远镜（MUST）更是有望拔得头筹，成为国际上第一个建成的下一代光谱巡天项目。
总而言之，在星系巡天宇宙学的研究中，中国学者有望发挥重要的作用，在宇宙学的黄金时代取得丰硕的成果。在不久的将来，我们或许能在冷湖之畔，欣赏遥远宇宙的遗音绝响，从而走近那神秘的暗物质和暗能量。
作者简介：
赵成，清华大学物理系博士，瑞士洛桑联邦理工学院博士后。主要从事星系巡天与暗能量相关宇宙学研究，也是SDSS、DESI等巡天项目的核心成员之一。
[1] Mimouni J., On making physics relevant to society in general and to scientists in particular: Closing the epistemic gap, 2022, arXiv e-prints, arXiv:2208.06728
[2] Zwicky, F., Die Rotverschieb ung von extragalaktischen Nebeln, 1933, Helvetica Physica Acta. 6:110–127
[3] Riess A. G., Filippenko A. V., Challis P., Clocchiatti A., Diercks A., Garnavich P. M., Gilliland R. L., et al., Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, 1998, AJ, 116, 1009
[4] Perlmutter S., Aldering G., Goldhaber G., Knop R. A., Nugent P., Castro P. G., Deustua S., et al., Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae, 1999, ApJ, 517, 565
[5] SDSS全景视频详见：https://www.bilibili.com/video/BV1AC4y1876P
[6] Blake C., Glazebrook K., Probing Dark Energy Using Baryonic Oscillations in the Galaxy Power Spectrum as a Cosmological Ruler , 2003, ApJ, 594, 665
[7] Alam S., Aubert M., Avila S., Balland C., Bautista J. E., Bershady M. A., Bizyaev D., et al., Completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological implications from two decades of spectroscopic surveys at the Apache Point Observatory, 2021, PhRvD, 103, 083533
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