光與生命——促進宇宙演變的文明

憑借其遺留的空間和時間調查，新天文台有望繪制出有史以來最精確的宇宙地圖。

一張星系在暗物質和暗能量網中的插圖顯示了引力透鏡效應的影響，藍綠色表示星系的真實位置和形狀，白色表示“透鏡”形狀和位置的移位。

(圖片來源：魯賓天文台/努瓦爾實驗室/國家科學基金會/大學天文研究協會/J﹒平托)

一個開創性的新天文台將建立有史以來最精確的宇宙地圖，在這個過程中，它可以解決兩個科學上最緊迫的謎團：暗能量和暗物質的本質。這些組成部分共同構成了我們所知的暗物質宇宙。

維拉 C﹒ 魯賓天文台目前正在智利塞羅·帕孔山的埃爾﹒佩尼翁峰頂上開發，計劃于2025年開始運行。當它到達時，魯賓將進行空間和時間的遺留調查(LSST)，在10年內每隔幾個晚上觀察整個可見的南方天空。它將在每個夜晚捕捉多達1000張天空圖像，爲科學家提供令人興奮的宇宙新視角，並深入了解它的形成。

在此過程中，魯賓天文台的廣角視阈將揭示暗物質宇宙網絡如何扭曲遙遠星系的圖像，使科學家能夠更好地繪制神秘物質的地圖。而且，由于龐大的宇宙網絡將星系聚集在一起，暗能量則將它們分開，這會揭示宇宙引力拉伸“拔河”的細節，從而揭示暗能量和暗物質是如何交織在一起塑造宇宙的。

“有了魯賓，我們將擁有一切，”魯賓的運營科學家安德裏薩斯·亞曆杭德羅·普拉紮斯﹒馬拉貢在一份聲明中說。“我們將測量比現在多得多的星系的特性，這將給我們提供統計能力，利用弱透鏡來繪制暗物質的分布，並研究暗能量是如何隨時間演變的。”

魯賓天文台是如何解秘暗物質宇宙的呢

暗物質和暗能量對研究人員來說是一個挑戰，因爲即使它們占宇宙總能量和物質含量的95%(暗物質占27%，暗能量占68%)，它們對我們來說基本上是不可見的。這意味著構成恒星、行星和我們周圍的一切(包括我們的身體)的物質只占宇宙含量的5%。

暗物質不可見的原因是它不與光相互作用。因此，只能通過它對光和我們實際能看到的“普通”物質的引力效應來推斷。事實上，這些引力效應確實有助于在星系旋轉時將星系中的物質聚集在一起，這是美國天文學家維拉·c·魯賓(Vera C. Rubin)的發現，這個革命性的新天文台以她的名字命名。雖然暗物質在內部將星系聚集在一起，星系本身也通過相互作用聚集在一起，意味著暗物質在更大的範圍內，使我們的宇宙結構保持強大。

暗能量也在更大的尺度上起作用，加速宇宙的膨脹——在與空間和時間的結構相互作用的同時，將星系分開得更快(越來越快)。

一幅插圖顯示了當光線穿過暗物質的宇宙網時，由于引力透鏡而彎曲。(圖片來源：魯賓天文台/努瓦爾實驗室/國家科學基金會/大學天文研究協會/J﹒平托)

維拉•c•魯賓天文台在智利塞羅·帕孔山的埃爾﹒佩尼翁峰頂的黃昏。(圖片來源：魯賓天文台/努瓦爾實驗室/國家科學基金會/大學天文研究協會/J·平托)

“你可以把暗物質想像成試圖構建宇宙結構，而實際上是試圖稀釋它們並將它們分開，”普拉薩斯﹒馬拉貢說。

暗能量的作用是由宇宙常數描述的，但這被一些科學家描述爲“物理學史上最糟糕的理論預測”，毫不誇張地說，宇宙常數的理論值，正如量子場論預測並解釋宇宙中所有的粒子，比天文學家觀測宇宙時測量到的值要大120個數量級。

這相當于測量一袋糖，發現它重1磅，而你計算的每粒糖的重量應該是10^120磅(1後面有120個0)。

魯賓可以利用引力透鏡效應更好地繪制不可見的、橫跨宇宙的暗物質宇宙網圖，從而幫助確定宇宙常數值。引力透鏡效應最早是由阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對論中預言的。

廣義相對論認爲，有質量的物體會對宇宙的結構産生“扭曲”效應。質量越大，扭曲就越極端。從時空的這種扭曲中，引力的概念出現了。

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當光在時空中經過這些彎曲或凹痕時，它的路徑就會彎曲，當一個大質量的物體位于地球和遠處光源之間時，來自該光源的光可以圍繞中間物體的路徑，根據它們掠過中間物體的距離彎曲到不同的極端。有時候，我們在地球上看，這些路徑會把光源放大。這種現象被稱爲“引力透鏡效應”。

暗物質也有質量；因此，它有使光彎曲的功能，這種神秘的物質本身不參與光的反應。這種效應被用來確定大多數星系都被暗物質光環所包圍。

在被稱爲“強透鏡效應”的極端情況下，時空彎曲導致物體在同一圖像中多次出現，或者導致物體鏡像出模糊或扭曲。這可以放大光線，使遠處和微弱光線的物體被看到。然而，還有更微妙的引力透鏡現象，被稱爲“弱透鏡”，它們本身就很有用。

斯坦福大學(Stanford University)博士候選人西奧·舒特(Theo Shutt)在聲明中說：“如果強透鏡效應就像透過酒杯底部看東西，弱透鏡效應就像透過一扇非常微妙扭曲的大窗戶看東西。”

弱透鏡效應不僅可以發生在大質量物體(如星系或星團)産生的強透鏡效應的邊緣，也可以發生在貫穿在宇宙中的暗物質的大規模宇宙網絡上。這導致了遙遠星系的微妙扭曲，這種扭曲通常太過微小，無法單獨觀察到，但如果考慮到同時對幾個星系的累積扭曲效應，就可以計算出來。

這最終意味著，將弱透鏡效應視爲宇宙暗物質網的結果，需要一個龐大的星系數據集和對整個天空集體扭曲的看法。

這就是魯賓天文台的用武之地。

配有世界上最大的數碼相機的8.4米望遠鏡提供了巨大的視野，天文台將能夠使巨大的天空斑塊可視化，並收集有關數十億星系及其形狀的數據。事實上，魯賓如此強大，以至于它能證明暗物質和暗能量根本不是宇宙的真正組成成分，並且可能需要一種修正的引力理論來解釋我們周圍的宇宙。

普拉薩斯．馬拉貢總結道：“暗能量是一個符合愛因斯坦廣義相對論中公認的引力理論的概念，但魯賓和大口徑全景巡天望遠鏡也將允許我們探索替代理論，這將令人難以置信興奮。”

BY:Robert Lea

FY: Janer

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