爱因斯坦当年犯下的一个“错误”怎样成为了当今宇宙学最大的谜题之一？解决暗能量的相关问题对我们理解宇宙的起源和演化有决定性的作用，而DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument)可能为我们揭开暗能量的面纱。

Part.1 宇宙学研究简史

狭义相对论诞生后，宇宙的任何一个角落的时间与空间都被光速完美地串联在了一起，人们的想象力从此得以极大地发散。然而在这场遨游中，时间和空间的问题虽然得到了解决，但“物质”这个我们熟悉又陌生的东西仍被撂在一边，他们孤苦伶仃地仍然接受着两百多年前创立的”岌岌可危“的理论的支配。

不过，在广义相对论诞生后，物质的问题也得到了解决。这标志着全宇宙任何一块方圆之地都可以被一套完美的“相对性”描述了。这时，所有人类的目光都从爱因斯坦的身上移开，又兴奋地投射到广阔的宇宙中：当相对论的应用不再有条条框框，而是套用在整个宇宙上，能否期待它能给出一个贯穿古今的优美答案？宇宙的起源、现状和未来能否被我们解答？

暗物质存在的间接证据：引力透镜(Gravitational Lensing) via:Wiki

然而，对“整个宇宙”这个词，当时的人类其实还没有一个确切的答案——1917年，洛厄尔天文台(Lowell Observatory)在测量25个星系的距离时发现，大多数的星系都有着多普勒效应(Doppler Effect)带来的红移。到了1929年，哈勃定律告诉我们：越远的星系有着越高的红移。这代表着这些星系都在像背离我们驶去的火车一样远离我们，且越远的星系远离我们的速度越快。对这些星系来说，它们不可能无故向远离我们的方向运动，所以可能的解释只有一个：不是它们在离去，而是宇宙在扩张！

“前沿科学不过是人类在用自己的感官探索他身边的宇宙。“——Edwin Hubble, via: azquotes

哈勃的成果发表后，爱因斯坦恼怒地揉了一个纸团：他犯了一个“此生最大的错误”。他虽然是牛顿的颠覆者，但仍深信宇宙的“静态性”，因此他在他的方程中引进了宇宙学常数——Λ，以在广义相对论体系中引入一个将宇宙聚在一起的常数，来达到一个理想中的“静态宇宙”。但哈勃的工作公布后，宇宙正在膨胀的事实让包括爱因斯坦的人们都认为，这种不自然的抵抗宇宙膨胀的因素根本不存在，因此这个常数被历史暂时搁置了。

Albert Einstein, Edwin Hubble, and Walter Sydney Adams. Via:Scoopnest.com

在接下来的日子里，随着相对论宇宙和膨胀宇宙的认识越来越深入，人类的宇宙学模型日趋成熟，宇宙学研究也在蓬勃发展。20世纪一系列激动人心的宇宙学发展让我们对宇宙的理解发生了巨大的改变。我们不仅已经从当年简朴的“相对性原理”发展出了今天的一套可以精确地衡量我们测量结果的宇宙学模型，更可以用这套模型补充我们人类出现之前的宇宙历史——藉由宇宙学研究的三大支柱：宇宙微波背景辐射（CMB），大尺度星系团，超新星爆发。若把宇宙学研究看作解出一个随时间演化的方程的任务，那么CMB就好比初始条件，大尺度星系团就是随时间演化的方程，而各个时期的超新星爆发则是分布几乎均匀的插值点，以提示我们不同时刻宇宙的演化到了哪一步。根据这三大模型，我们得以对宇宙是如何从一个极早期的致密高温状态发展到我们今天观测到的宇宙有了粗略的了解。

超新星(SNe)，宇宙微波背景辐射(CMB)，重子声学震荡(BAO)对宇宙学常数的限制 via: supernova.lbl.gov

虽然精确的实验证明这套宇宙学模型是如此地成功，但两个最根本的问题我们仍旧一头雾水：如果宇宙是一个膨胀着的气球，那么气球是如何被吹起来的？如果宇宙各处都在快速旋转着，那么这股拽着我们不让我们飞出去的力从哪来？对这两个神秘的元素，我们的观测至今一无所获，它们就是暗能量和暗物质。各种观测手段让我们从质量上对这两个神秘元素有了一些基本的了解——藉由我们眼睛的观察，我们确认了5%的重子物质的存在；藉由星系的引力效应，我们确认了27%的暗物质的存在；而藉由宇宙膨胀的速率，我们确认了其余68%的暗能量的存在。

(DESI)

然而，宇宙的原理却并不像“吹气球”这件事这么简单：在对暗能量的研究中，我们发现，虽然暗能量是导致宇宙“加速膨胀”的因素，但这种加速膨胀似乎表征着一种微弱的“反重力”性质：当宇宙膨胀时，它比普通物质膨胀得更慢，仿佛将物质聚在了一起；当物质聚合集中时，它却根本不发生聚合。这样的“反重力”性质，让那个用来解释“抵抗宇宙膨胀效应”的古老幽灵——宇宙学常数Λ重新登上了历史的舞台，从此，爱因斯坦这一被剃刀原理宣告灭亡的常数成为了暗能量研究的至关重要常数之一。

via: WIKI

在宇宙加速膨胀这轰动性结果的产生后，解释这一现象的理论百家争鸣：有的给出了不同的宇宙学常数，有的给出了不同的重力修正，有的从量子理论出发提出了新的量子引力理论。究竟这些理论哪一个正确，我们暂时不得而知。重要的是，我们可以从一个天体物理观测的基本动机出发——如果这些不同的理论对宇宙学的可观测的量给出了不同的预测值，那么我们就可以通过观测来检验这些理论的正确性！

Part.2 DESI（Dark Energy Spectroscopic Instrument）

——暗能量观测

（via: DESI）

via: http://www.roe.ac.uk

利用红移观测测量大尺度星系团的分布自70年代以来就成为了一个重要的任务。根据红移和位置的分布标定星系是这一系列观测任务的目标。著名的任务主要有Two-degree Field Redshift Survey（上图）和斯隆数字化巡天（SDSS）（下图）。

via: SDSS

坐落在基特峰国家公园(Kitt Peak National Observatory)的DESI将成为下一代巡天的接班人，这个安装在口径达4米的梅奥尔望远镜(Mayall Telescope)上的任务将会开启迄今为止涵盖星系数目最多的巡天任务，包括超过三千万个星系（占夜间星空的1/3），深度达到110亿年前的红移，科学家们期待这一新的科学设施可以绘制迄今为止数目最多，最大尺度的大尺度星系结构图。

梅奥尔望远镜，4-meter Mayall Telescope, via: DESI

绘制得到的结构图可以揭示宇宙中大尺度结构的分布，我们则可以考察尺度达上百万光年的星系分布和密度涨落——这些可能起源于宇宙大爆炸一秒内的涨落将成为我们推演宇宙演化过程的重要依据。而一旦它们产生之后，暗能量所主导的重力就发挥了作用：某些偶然形成的大质量区域克服了宇宙膨胀，继续聚集在一起形成了今天可见的大尺度星系团，这些星系团的演化就是暗能量演化带来的重力的演化。大尺度结构的分布确定后，全宇宙的继续演化带来了小尺度的变化，而这些变化如同涟漪一般到达了我们今天的宇宙。我们现有的理论能给出对这些涟漪的预测。但更重要的是，我们可以拿着今天的观测，选择合适的模型，来反推大尺度结构。再通过与我们现有对大尺度结构观测的对比，来检测不同模型和理论的准确性。

宇宙的红移观测每十年就扩大十倍 via: http://dstn.astrometry.net

为了衡量大尺度星系结构的演化，DESI需要测量两个宇宙演化的效应带来的变化：重子声波震荡(Baryon Acoustic Oscillations, BAO)和红外畸变(Redshift Distortions)。重子声波震荡是早期热宇宙带来的效应。早期产生的重子物质发生电离，其产生的电子震荡发出震荡波，不断回响在今天的大尺度结构上；红外畸变是星系红移中来自宇宙膨胀之外的其他红移效应，反映了大尺度结构的诸多细节。DESI对这两个宇宙学效应能进行前所未有的精确测量，这也许能让我们对理解宇宙演化有全新的认识。

不仅如此，还可期望DESI用于更加广泛的目的：由于它能精准地测量早期宇宙的能量分布和大尺度星系结构，DESI还可能对解决中微子之谜有一定帮助。此外，DESI对得到高红移段星系或类星体（Quasars）的分布也有辅助作用。

via: http://dstn.astrometry.net/

总的来说，DESI的真正威力和其更多的发现，只有在正式启用的那一天我们才能知道。我们已经可以期待，宇宙最早期的秘密和其最广阔的图景已经离我们越来越近。但真相也许就像一直膨胀着的宇宙一样，还在向更远处延伸。一代一代的天文人，任重而道远！

参考：

[1] Wikipedia

[2] https://www.desi.lbl.gov/

（责任编辑：郭晋）

（转载自：石头科普工作室）