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科學(xué)家借助類星體丈量宇宙。（中科院國(guó)家天文臺(tái)供圖）

重子聲波振蕩是大自然提供的“量天尺”（中科院國(guó)家天文臺(tái)供圖）

斯隆望遠(yuǎn)鏡。（中科院國(guó)家天文臺(tái)供圖）

　　廣袤宇宙的億萬(wàn)星系間，隱藏著一把“量天尺”。有了它，科學(xué)家可以丈量出宇宙膨脹有多快，進(jìn)而探索推動(dòng)宇宙膨脹的神秘力量——暗能量到底是什么，并推測(cè)宇宙的命運(yùn)。

　　近期，中國(guó)天文學(xué)家基于對(duì)100多萬(wàn)個(gè)星系的觀測(cè)，成功地利用這把“尺子”，重建了宇宙的暗能量演化歷史。研究發(fā)現(xiàn)，暗能量是“動(dòng)態(tài)”的。

　　“這意味著引起宇宙膨脹的暗能量可能不是以前很多科學(xué)家認(rèn)為的密度為常數(shù)的真空能，而是某種具有動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的能量場(chǎng)?！鳖I(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員趙公博說(shuō)。

　　國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》最近在線發(fā)表了趙公博團(tuán)隊(duì)有關(guān)暗能量的研究成果。

　　“如果暗能量是真空能的話，那么宇宙會(huì)一直膨脹下去，最后以‘大撕裂’終結(jié)。但如果暗能量是動(dòng)力學(xué)的，那么宇宙可能會(huì)經(jīng)歷膨脹、收縮、再膨脹，出現(xiàn)循環(huán)宇宙?！壁w公博說(shuō)。

　　尋找“量天尺”

　　宇宙這么大，科學(xué)家怎樣測(cè)量呢？趙公博介紹，大自然提供了一把神奇的尺子：重子聲波振蕩。

　　他解釋說(shuō)，在宇宙早期，重子物質(zhì)、光子等組分像一鍋粥一樣處于高溫、高密度的流體狀態(tài)，宇宙創(chuàng)生時(shí)留下的原初擾動(dòng)就在這樣的流體中傳播，造成流體密度、溫度、壓強(qiáng)等在時(shí)間序列上的周期變化，這種傳播機(jī)制跟聲音傳播的機(jī)制從本質(zhì)上是一樣的，所以科學(xué)家稱之為重子聲波振蕩。

　　宇宙大爆炸后約38萬(wàn)年，冷卻下來(lái)的宇宙從“一鍋粥”變?yōu)橥该?，重子聲波振蕩的傳播戛然而止，振蕩信息被“凍結(jié)”在時(shí)空中。但它擁有的巨大力量改變了宇宙中物質(zhì)的分布，并最終驅(qū)使星系以一種特定的方式分布。

　　2005年，重子聲波振蕩信號(hào)首次被發(fā)現(xiàn)，宇宙學(xué)家終于獲得夢(mèng)寐以求的“量天尺”，用它來(lái)測(cè)量宇宙到底是平坦的還是彎曲的，膨脹速率是多少。

　　但這只是第一步，科學(xué)家還需要對(duì)宇宙精確測(cè)量。

　　從2012年起，趙公博團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺(tái)斯隆望遠(yuǎn)鏡，從星系和類星體的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，以高精度測(cè)量得到了重子聲波振蕩信號(hào)。

　　“重子聲波振蕩觀測(cè)的精度越來(lái)越高。以前的觀測(cè)都是集中在一個(gè)很短的時(shí)期，而我們使用了新的方法，就像對(duì)更遼遠(yuǎn)的宇宙做一個(gè)CT掃描，可以知道更多宇宙演化的歷史?！壁w公博說(shuō)。

　　依據(jù)“量天尺”的測(cè)量，天文學(xué)家將繪制出宇宙的三維圖。

　　探尋暗能量

　　1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜存在紅移現(xiàn)象，表明這些天體在逐漸遠(yuǎn)離我們，意味著整個(gè)宇宙處于膨脹狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)震驚世界，打破人類千百年來(lái)“宇宙為靜態(tài)”的觀點(diǎn)。

　　當(dāng)時(shí)人們希望宇宙的膨脹減速進(jìn)行，這樣宇宙的未來(lái)還有可能是靜態(tài)的。但1998年，由美國(guó)、澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組，幾乎同時(shí)在超新星觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)宇宙竟然是在加速膨脹。

　　科學(xué)家假設(shè)了一種能推動(dòng)宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量。目前科學(xué)家對(duì)暗能量的本質(zhì)知之甚少。科學(xué)家對(duì)暗能量提出很多種理論模型，比如中科院高能物理研究所研究員張新民提出的精靈暗能量模型。而目前，趙公博團(tuán)隊(duì)利用斯隆望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測(cè)結(jié)果與張新民的暗能量模型相符。

　　要檢驗(yàn)眾多理論預(yù)言，往往需要借助大規(guī)模數(shù)值模擬?！拔覀兪褂弥袊?guó)的天河計(jì)算機(jī)，以及一些國(guó)外的超級(jí)計(jì)算機(jī)，模擬出約2000個(gè)宇宙，用于數(shù)據(jù)分析?！壁w公博說(shuō)。

　　在科學(xué)家的計(jì)算機(jī)上，幾十億、上百億年時(shí)光飛逝而過(guò)，星系形成，宇宙演化。

　　“我想了解宇宙加速膨脹究竟是為什么？這里有太多新物理了。普通物質(zhì)只占宇宙的5%，剩下95%的暗物質(zhì)和暗能量是什么我們還都不知道。一旦有一天，我們知道了暗能量是什么，將帶來(lái)整個(gè)物理學(xué)的革命。”趙公博說(shuō)。

　　據(jù)介紹，未來(lái)5到10年內(nèi)，中國(guó)和國(guó)際上將運(yùn)行一批大型地面和空間暗能量項(xiàng)目，例如，中國(guó)未來(lái)空間站中將包括一個(gè)光學(xué)艙，它就是一個(gè)直徑兩米的空間望遠(yuǎn)鏡，研究暗能量將是其主要科學(xué)目標(biāo)。