如果你想知道宇宙到底是什么样的,那么恭喜你,人类有史以来最完整的3D宇宙地图最近被公布出来,科学家以前所未有的观测数据,从更加宏大的角度展示了宇宙的形状。

整整20年前,位于美国新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的2.5米口径望远镜正式开始工作,展开了名为“斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)”的红移巡天项目,旨在对25%的天空进行红移观测。

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(图片说明:斯隆数字巡天)

红移指的是天体远离我们时所产生的光谱偏移现象,不仅可以直接反映出它们的退行速度(也就是宇宙在不同位置的膨胀速度),也可以告诉我们这些天体距离地球有多远。通过红移,我们不仅可以对天体进行静态的定位,还可以进行动态的跟踪。

正是通过这样的技术,科学家们在6年的时间里,实现了“有史以来最大时间跨度上对宇宙膨胀的最精确测量”。这个测量最终汇总成了史无前例的高清3D宇宙图像,被他们命名为”扩展的重子振荡光谱调查(extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,eBOSS)”。

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(图片说明:斯隆数字巡天绘制的宇宙地图

加拿大安大略省滑铁卢大学的威尔·珀西瓦尔(Will Percival)指出:来自全世界大约30家机构的百余名科学家“对eBOSS地图和SDSS早期的研究进行整合和详细的分析”,终于“将关于宇宙膨胀的历史串联成为一个完整的故事”。这个“故事”包含了超过200万个星系及类星体,时间跨度达到了11亿年,是迄今为止最完整的宇宙地图

我们知道,越远的天体意味着它们向我们越古老的宇宙。因此,想要以空间的视角绘制宇宙地图,也离不开从时间角度对宇宙的理解。

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目前来说,对于宇宙在大爆炸后仅仅38万年时所呈现的状态,我们有一个非常有利的研究工具,那就是宇宙微波背景辐射。我们称它为大爆炸的余晖,它记录下了宇宙当时的模样。

这也是这张宇宙地图的起点,在这段时期我们只能看到大量的丝状结构和空旷的宇宙空间,它们的分布和结构,决定了今天宇宙的结构。

在比这稍微近一点的距离上,科学家们观测了大量的早期星系,甚至是类星体。类星体是宇宙中最活跃的天体之一,被认为是有超大质量黑洞疯狂吞噬的星系。它们普遍位于100亿光年以外,并且极其明亮,是宇宙中最特殊的天体之一。

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而对于几十亿年前的宇宙,我们则可以通过现有的观测设备来进行描述。我们的观测设备已经足够先进,几十亿光年以外的星系也可以被我们捕捉到,成为绘制宇宙地图的一部分。

真正的难度在于,在这两段时间之内的范围,我们的了解非常有限。犹他大学的凯尔-道森(Kyle Dawson)在本周一公布这张史无前例的宇宙地图时也表示:这是“夹在中间的110亿年的棘手断档期”,而这个问题终于被他们攻克了。为了取得这段时期的宇宙数据,“我们持续观测了5年的时间,尽全力去填补这个断档期。在最近10年的时间里,我们始终在利用这些信息实现了宇宙学最实质性的进展。”

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(图片说明:3D版eBOSS宇宙地图)

实际上,eBOSS的构想早在2012年就被提出了,提出者是位于瑞士洛桑的苏黎世联邦理工学院天体物理学家吉恩-保罗·尼布(Jean-Paul Kneib)。他表示,他希望人类能够在整个宇宙周期范围内绘制出“最完整的3D宇宙地图”。这对于我们了解宇宙来说,是非常重要的。到目前为止,eBOSS团队一共发表了超过20篇论文,总计500多页,为人类宇宙学研究提供了大量的宝贵信息。

比如说,科学家通过这张地图发现:宇宙的膨胀在大约60亿年前突然出现了加速,从此开始,加速就没有停止。根据他们的分析,这是暗能量造成的结果。我们知道,暗能量是一种我们目前完全无法检测到的一种宇宙机制,但是它符合爱因斯坦的广义相对论。它是我们宇宙膨胀的动力,正是它让空间不断扩展,位于各个空间点上的天体因此而远离我们。

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多年以来,我们的观测已经证实了宇宙的加速膨胀,但却始终无法确定其膨胀速度。我们知道,宇宙学上有一个著名的定律,那就是哈勃定律,其表达式为

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其中,Vf指的是某颗天体的退行速度,D是天体与我们的距离,Hc叫做哈勃常数。哈勃定律告诉我们,天体远离我们的速度与它们到地球的距离成正比。天体的距离可以被我们测量到,因此,只要知道哈勃常数,就能确定宇宙的膨胀速度。

然而,直到现在,我们也无法确定哈勃常数到底是多少。科学家们提出了不同的方法计算哈勃常数,但是得出的数据并不相同,无法互相验证。

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(图片说明:图为SDSS团队根据以往数据推算的哈勃常数,图形越来越小意味着我们的计算越来越精确,看得出来,我们比10年前有了巨大的进步)

值得一提的是,该团队通过这张地图计算出来的哈勃常数,又呈现出了一个新的结果,比主流计算结果低了大约10%。但是,他们相信,eBOSS所得到的高精度哈勃常数值,基本不可能是来自于偶然。

由于这个数字刚刚公布,所以目前并没有得到广泛认可,也没有引起热烈的讨论。不过,这提供了一个新的可能,留给所有科学家去探索。在得到最终答案之前,谁也不敢说它就不是正确答案。

该团队的科学家相信:“在接下来的10年间,即将展开的其他调查或许会解开这个难题,或者会给我们带来更多的惊喜。”

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在未来,我们还会有更加完整、高清、立体的宇宙地图陆续公布。也许有一天,我们会发现宇宙完全不是现在想象的那样,但这不意味着现在的努力都是白费的,这也是我们科研路上必须走过的桥。