科技日報記者 張夢然

美國暗能量光譜儀 (DESI）項目打破了之前所有3D星系調(diào)查的記錄，在完成前七個月的調(diào)查后，創(chuàng)建了有史以來最大、最詳細的宇宙地圖。

其“五年任務(wù)”目前只完成了約10%，但這張極其詳細的3D地圖將有助于人類更好地了解暗能量，從而讓科學(xué)家們深入了解宇宙的過去和未來。調(diào)查中使用的技術(shù)和取得的成就，也將幫助科學(xué)家們揭示宇宙中最強大光源的秘密。

DESI的宇宙3D“CT掃描”圖。地球在左下角，每個彩色點代表一個星系，而星系又由1千億到1萬億顆恒星組成。重力將星系聚集成稱為“宇宙網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)，其具有密集的星團、細絲和空隙。圖片來源： D. Schlegel/伯克利實驗室使用DESI的數(shù)據(jù)制作

“觸摸”天空的深度

DESI是由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（下稱伯克利實驗室）管理的國際科學(xué)合作項目，建設(shè)和運營的主要資金來自美國能源部科學(xué)辦公室?？茖W(xué)家在伯克利實驗室主辦的網(wǎng)絡(luò)研討會上展示了DESI的性能和一些早期的天體物理學(xué)結(jié)果。

伯克利實驗室科學(xué)家朱利安·蓋伊說：“在3D地圖的星系分布中，存在巨大的星團、細絲和空隙。它們是宇宙中最大的結(jié)構(gòu)。但在其中，你也會發(fā)現(xiàn)早期宇宙的印記，以及從那時起它的膨脹歷史。”

完成調(diào)查的主要任務(wù)需要收集覆蓋整個天空三分之一以上的數(shù)百萬個星系的詳細色譜圖像。通過將來自每個星系的光分解成光譜，DESI可確定光已經(jīng)紅移了多少——在到達地球之前的數(shù)十億年中，由于宇宙的膨脹向光譜的紅端延伸——正是這些紅移，讓DESI“觸摸”到了天空的深度。

美國亞利桑那州圖森附近基特峰國家天文臺的尼古拉斯·U·馬亞爾4米望遠鏡上的星跡。 圖片來源： KPNO/NOIRLAB/NSF/AURA/P. MARENFELD

“預(yù)言”宇宙的命運

一般來說，一個星系的光譜紅移越多，它就越遠。借助3D宇宙地圖，物理學(xué)家可繪制星系團和超星系團的圖表。這些結(jié)構(gòu)帶有它們最初形成的“回聲”，當(dāng)時它們只是“嬰兒宇宙”中的漣漪。通過梳理這些“回聲”，物理學(xué)家可使用DESI的數(shù)據(jù)來確定宇宙的膨脹歷史。

了解膨脹歷史至關(guān)重要，這與整個宇宙的命運息息相關(guān)。今天，宇宙中大約70%的內(nèi)容是暗能量，這是一種推動宇宙更快膨脹的神秘能量形式。隨著宇宙的膨脹，更多的暗能量突然出現(xiàn)，從而加速了膨脹，在一個循環(huán)中，推動宇宙中暗能量的比例不斷上升。

暗能量最終將決定宇宙的命運：它會永遠膨脹嗎？它會在逆向的大爆炸中再次崩潰嗎？還是會自己撕裂？

回答這些問題意味著需要更多地了解暗能量在過去是如何表現(xiàn)的——這正是DESI要達成的目的。

“看清”黑洞的面目

為了解宇宙的命運，人類將不得不等到DESI完成更多的調(diào)查。但與此同時，DESI已在推動人們對超過100億年前的遙遠過去的理解取得突破——彼時，星系們還很年輕。

美國亞利桑那大學(xué)研究團隊正在使用DESI數(shù)據(jù)來了解小星系中中等質(zhì)量黑洞的行為。巨大的黑洞被認為存在于幾乎每個大星系的核心，比如人類自己的銀河系。但小星系是否也是在其核心包含一個較小的黑洞，目前仍然未知。黑洞本身幾乎是不可能找到的——但如果它們吸引了足夠多的物質(zhì)，它們就會變得更容易被發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)落入黑洞的氣體、塵埃和其他物質(zhì)在進入黑洞的過程中升溫（溫度高于恒星核心）時，就會形成一個活躍的星系核。在大型星系中，活動星系核是已知宇宙中最亮的天體之一。但在較小的星系中，活動星系核可能更微弱，更難與新生恒星區(qū)分開來。DESI拍攝的光譜可幫助解決這個問題——它在天空中的廣泛覆蓋范圍將產(chǎn)生比以往更多的關(guān)于小星系核心的信息。反過來，這些核心將為科學(xué)家們提供有關(guān)在早期宇宙中如何形成明亮活動星系核的線索。

英國杜倫大學(xué)研究團隊正在使用DESI數(shù)據(jù)來了解類星體本身的演化。研究人員認為，類星體開始時被一層塵埃包圍，這使得它們發(fā)出的光變紅，就像太陽穿過陰霾一樣。隨著年齡的增長，它們會驅(qū)散這些灰塵并變得更藍。但由于缺乏關(guān)于紅色類星體的數(shù)據(jù)，很難檢驗這一理論。DESI正在改變這一點，發(fā)現(xiàn)的類星體比以往任何一次調(diào)查都多，最終調(diào)查數(shù)據(jù)中，預(yù)計有240萬個類星體。

現(xiàn)在，DESI項目已對超過750萬個星系進行了編目，并且還在以每月超過100萬個的速度增加。僅在2021年11月，DESI就對來自250萬個星系的紅移進行了編目。到2026年運行結(jié)束時，DESI的目錄中預(yù)計將擁有超過3500萬個星系，從而能夠進行各種各樣的宇宙學(xué)和天體物理學(xué)研究。

編輯：張爽

審核：王小龍