暗能量巡天
在之前的推送里，牧夫?yàn)榇蠹覉?bào)道了暗能量巡天計(jì)劃公布了第一批數(shù)據(jù)的新聞。那么，什么是暗能量，暗能量巡天計(jì)劃又是什么，今天小編為大家簡(jiǎn)單地科普一下。
宇宙的成分
20世紀(jì)早期，廣義相對(duì)論理論完善之后，現(xiàn)代宇宙學(xué)終于建立了。愛因斯坦提出了宇宙學(xué)原理：宇宙在大尺度上，物質(zhì)是均勻分布的，且各向同性。在宇宙學(xué)原理的基礎(chǔ)上，羅伯特和沃克建立了羅伯特-沃克度規(guī)，而弗里德曼和勒梅特則將廣義相對(duì)論納入其中，建立了FLRW模型，即Freidmann-Lemaitre-Robertson-Walker模型，簡(jiǎn)稱弗里德曼宇宙模型。這是個(gè)很有趣的物理學(xué)家-牧師-數(shù)學(xué)家-數(shù)學(xué)家組合。而大爆炸理論則由著名的α-β-γ三人組，也就是阿爾法、伽莫夫和貝塔三人給出。而哈勃定律的發(fā)現(xiàn)、宇宙微波輻射的發(fā)現(xiàn)、以及宇宙中氦豐度的測(cè)量都進(jìn)一步驗(yàn)證了這個(gè)宇宙模型。限于篇幅，這里不給出公式，只簡(jiǎn)單概述一下標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型(ΛCDM模型)：
（1）宇宙起源于一次熱大爆炸。
（2）宇宙中物質(zhì)分布在大尺度上是均勻的和各向同性的。
（3）目前宇宙處于膨脹狀態(tài)。
（4）宇宙時(shí)空用R-W度規(guī)來描述。
（5）占主導(dǎo)地位的是暗能量和冷暗物質(zhì)。
那么，宇宙的膨脹究竟是減速還是加速？我們知道，萬有引力只允許減速，因?yàn)槿f有引力不像電磁力，它是沒有排斥力的，至少在我們的認(rèn)知范圍內(nèi)是這樣的。而減速因子觀測(cè)分歧很大，矛盾百出！因此，天文學(xué)家和物理學(xué)家們?cè)谶@個(gè)問題上徘徊猶豫了數(shù)十年，直到一個(gè)救世主般的標(biāo)準(zhǔn)燭光被科學(xué)家們找到，那就是Ia型超新星。
18個(gè)Ia型SN的平均峰值絕對(duì)星等：MB = -19.33
（Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531）
Ia 型超新星可以作為標(biāo)準(zhǔn)燭光（ Standard Candle ）的原因是，當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡極限的時(shí)候，白矮星的爆燃會(huì)導(dǎo)致的超新星爆發(fā)。這意味著目前所有觀測(cè)到的白矮星的質(zhì)量都應(yīng)該小于1.4倍太陽質(zhì)量，而且所有的白矮星在超新星爆發(fā)時(shí)都具有相同的質(zhì)量。這樣，所有的白矮星的超新星爆發(fā)的時(shí)候，都具有相同的最大光度。因此，我們一旦從一個(gè)爆發(fā)事件確定了Ia 型超新星的光度，我們能用這個(gè)光度來確定所有的Ia 型超新星的距離。
說到錢德拉塞卡極限，這里還有段小故事。天文學(xué)家錢德拉塞卡還是劍橋大學(xué)的學(xué)生時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)極限。他在一次報(bào)告上介紹了自己的觀點(diǎn)。然而，在觀眾席上的以憑借觀測(cè)了廣義相對(duì)論而聞名的天文學(xué)家愛丁頓對(duì)此十分不滿，他認(rèn)為錢德拉塞卡的報(bào)告純屬一派胡言，因此毫不給這位印度后生留面子，竟然沖上講臺(tái)將錢德拉塞卡的報(bào)告撕碎。然而，打壓新人的行為并不能阻礙科學(xué)的進(jìn)步，如今隨著越來越多的史料曝光，涉嫌數(shù)據(jù)造假的愛丁頓已經(jīng)成了一個(gè)笑話，而錢德拉塞卡則與他的煌篇巨著《黑洞的數(shù)學(xué)理論》一起備受后人推崇。
宛如科幻電影
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對(duì)Ia 型超新星的觀測(cè)告訴我們，我們的宇宙是在加速膨脹的。這不得不讓我們對(duì)已有的理論產(chǎn)生懷疑，因?yàn)樯衔奈覀冋f到，引力只有吸引而沒有排斥效應(yīng)，究竟是怎樣的物理機(jī)制才能導(dǎo)致宇宙處于加速膨脹狀態(tài)呢？
宇宙的演化
若要系統(tǒng)的介紹各種暗能量模型，恐怕要再寫一篇推送了。我們?cè)谂ｎD的萬有引力上更進(jìn)一步，來到愛因斯坦的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論框架下，引力是可以有排斥效應(yīng)的，這取決于物質(zhì)自身的性質(zhì)。那么，宇宙若要處于加速膨脹，那么就一定有某種物質(zhì)占主導(dǎo)地位?？茖W(xué)家們將希望寄托在暗能量身上。
歷史總是驚人地相似，在1900年曾籠罩在物理學(xué)大廈上的烏云，在新的世紀(jì)之交再次出現(xiàn)。通過大量的天文觀測(cè)，人類對(duì)于宇宙已經(jīng)有了非常多的認(rèn)識(shí)，例如宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)表明有大爆炸的演化歷程，并可利用成分判據(jù)和平衡判據(jù)，給出了演化歷程的各個(gè)階段，而原初核合成和微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)則給出了大爆炸宇宙學(xué)的兩大強(qiáng)有力的證據(jù)等。但是，暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和暗能量的提出，讓兩朵烏云成了物理學(xué)家們心中揮之不去的心結(jié)。盡管我們已經(jīng)對(duì)它們的性質(zhì)有了充分的認(rèn)識(shí)，但是暗能量的本質(zhì)到底是什么，或者說，到底有沒有暗能量，又怎么知道它是否存在呢？人們所看到的僅僅是宇宙在加速膨脹，而暗能量恰恰能合理地解釋這樣一種現(xiàn)象。目前，關(guān)于暗能量的模型，科學(xué)界可謂眾說紛紜，百花齊放。我國著名物理學(xué)家，也是小編的師爺李淼先生曾提出全息暗能量的理論，并因此名揚(yáng)四海。
除了超新星的觀測(cè)證據(jù)外，宇宙微波背景輻射和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)也證實(shí)了暗能量的存在。另外，重子聲波振蕩和弱引力透鏡也可以作為觀測(cè)暗能量的手段。其中，宇宙微波背景輻射指的是，宇宙38萬歲時(shí)從3000度的高溫等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為中性氣體而遺留下來的殘留，即大爆炸的余暉，其現(xiàn)在的溫度只有約2.725度。它是宇宙中最完美的黑體輻射，甚至在我們小時(shí)候看電視的時(shí)候，電視信號(hào)的雪花里面就包含微波背景輻射（00后就這樣錯(cuò)過了觀測(cè)到宇宙微波背景輻射的機(jī)會(huì)）。而通過觀測(cè)宇宙微波背景輻射的能量分布，就可以反推物質(zhì)的組成。而宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)則是通過觀測(cè)物質(zhì)的分布以確定引力或斥力的大小，再進(jìn)一步推測(cè)暗能量的情況。重子聲波震蕩則是一種被稱為宇宙的錄音機(jī)的神奇現(xiàn)象，利用它我們可以推測(cè)早期宇宙的情況，從而得知宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。弱引力透鏡則是近些年來新興的大尺度結(jié)構(gòu)研究方法。
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巡天這個(gè)詞對(duì)于天文愛好者來說，想必并不陌生。例如，斯隆數(shù)字巡天等廣為人知的項(xiàng)目。簡(jiǎn)單說來，巡天就是對(duì)天空地毯式搜尋。
宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)
暗能量巡天計(jì)劃的誕生，背后有個(gè)有趣的故事。據(jù)暗能量巡天項(xiàng)目的成員，物理學(xué)家郝建綱介紹說：“在2005年左右，以美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)為主的一批科學(xué)家，得到了一條消息：位于智利托洛洛山美洲際天文臺(tái)直徑4米的布蘭科望遠(yuǎn)鏡，想要更換一架新的數(shù)碼相機(jī)。同時(shí)，天文臺(tái)開出了一個(gè)條件，即如果有誰可以提供一架新相機(jī)，那么天文臺(tái)可以在連續(xù)五年的時(shí)間里每年提供大約三個(gè)半月的觀測(cè)時(shí)間。換句話說，就是用相機(jī)換取觀測(cè)時(shí)間。就這樣，在美國能源部和國家自然基金的支持下，暗能量巡天計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。“
暗能量巡天可以說是一個(gè)野心勃勃的計(jì)劃，它通過之前我們介紹到的超新星、引力透鏡、星系團(tuán)的數(shù)量及分布和重子聲學(xué)振蕩這四個(gè)探測(cè)手段來對(duì)暗能量進(jìn)行研究。目前，來自世界各地的數(shù)百位科學(xué)家投身其中。
宇宙的成分
我國著名物理學(xué)家趙崢先生曾經(jīng)開玩笑地說，廣義相對(duì)論是愛因斯坦的天才之作，相比于他對(duì)理論的貢獻(xiàn)，我們都只能算高階小量。文章的最后，我們回到ΛCDM模型的Λ上。這個(gè)Λ代表的是愛因斯坦場(chǎng)方程的宇宙學(xué)常數(shù)，目前經(jīng)常以它借指暗能量。愛因斯坦在向他的方程中添加這一項(xiàng)的時(shí)候，雖然不是為了提出暗能量（這相對(duì)于愛因斯坦的年代未免太早了），但巧合的是，也是為了為引力添加排斥效應(yīng)。盡管在之后，愛因斯坦說宇宙學(xué)常數(shù)是他這輩子最大的失敗，但多年之后，暗能量的火熱研究再次告慰了愛因斯坦的在天之靈。所以說，什么叫天才，天才就是犯的“錯(cuò)誤”都有極高的研究價(jià)值的科學(xué)家。
'大家好，又是我！'
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作者：王紀(jì)堯
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