宇宙或将在永恒的孤寂中结束,除非解开暗能量之谜
2020-09-24 09:47

宇宙或将在永恒的孤寂中结束,除非解开暗能量之谜

“组成宇宙的普通物质,只占我们这个宇宙的5%左右,剩下的95%以上的,很可能都是一些我们不知道的物质。”本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:陈学雷(中国科学院国家天文台研究员、宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家)



宇宙是怎样开始的呢?有的朋友说,宇宙开始于一个大爆炸。


这是上个世纪一些科学家提出来的一种大胆猜想,后来这种理论被观测证实了。


宇宙大爆炸的过程


既然宇宙开始于大爆炸,那么它有没有结束?未来是什么样子呢?


其实提出宇宙大爆炸理论的这些科学家也做了一些预言,他们假定宇宙中充满了各种物质,然后使用爱因斯坦的广义相对论去预测宇宙的命运。



大家可以看到左面展示的是大爆炸的过程,而右面的这幅图上展示的是对未来的预测。


宇宙经过大爆炸以后,它就处在膨胀中,由于物质万有引力的作用,它会使膨胀慢慢变慢,变慢以后会怎么样呢?


这就取决于这里面物质的多少,和一开始膨胀的速度之间的关系。


如果这个膨胀的速度一开始不是那么大,而物质很多,那么造成的结果就是它膨胀到一定程度以后,膨胀就会慢慢地减速,最后减到一定程度,很可能就停止了膨胀。


然后又开始收缩,收缩到一定程度以后,最后就进入了一个“大塌缩”的状态。


大塌缩之后宇宙会变成什么样子?


目前并不知道,因为到那个时候,所有的能量和密度都太高了,现在的理论都无法描述。


如果宇宙一开始的时候膨胀速度比较快,而这个物质并没有那么多,它也会使宇宙的膨胀减速,但是减速可能不足以使它停下来,这样的话宇宙就会一直膨胀下去。


也就是这幅图里右边的两种图景——它一直膨胀,但是减慢的速度可能没有那么明显。


这就是过去,大家对宇宙的未来的认识,那是不是这样子呢?到底这几种情况哪一种是对的呢?

测量宇宙膨胀速度的方法


在上个世纪的八十年代,有一些科学家想要解决这个问题,但是都面临一个很大的困难,就是我们怎么才能判断到底是哪一种情况呢?


这个办法就是测量不同时刻宇宙膨胀的速度。



左边这幅图上展示的是日常生活当中很常见的测量速度的方法。


宇宙学当中的这个情况略有不同,但道理是一样的,就是测量宇宙中的不同时刻,它膨胀到底有多快,然后看看它的速度是怎么变化的。


当然宇宙学当中一个很大的问题在于,我们并不知道怎么样测量这个距离。


自古以来,想要了解天体的距离就是非常困难的。


比如说,我们国家有一个著名的寓言,据说孔子遇到了两个小孩在辩论:


太阳到底是在早晨的时候离我们近一些,还是在中午的时候离我们近一些?


两个小孩都提出了一些很好的论据,孔子就没有办法决定了,这就是所谓“两小儿辩日”的故事。


实际上想要测量像太阳这样一个离我们比较近的天体的距离,并不是那么容易,要测量更远处的天体,当然就更难一些。


但是科学家还是提出了一些方法。一种办法就是通过所谓“标准烛光”来测量距离。


什么叫标准烛光呢?


在19世纪的时候,人们为了研究光学,发明了一种比较标准的蜡烛,这些蜡烛点出来以后,光的亮度都是一样的。


把它放在不同的距离上,可以看到,越远的蜡烛看上去越暗一些,这就是标准烛光的作用。


就是我们知道它的绝对发光亮度,又可以测出它看上去有多亮,根据这两者之间进行比较,就可以知道天体到底有多远了。


问题在于我们有没有这样的蜡烛呢?


科学家们找到了一种这样的“蜡烛”,这个“蜡烛“就是Ia型的超新星。


什么是超新星呢?


天空中的星星,有一些暗,有一些亮,亮的大多是离太阳系比较近的一些恒星。


有时这些恒星会突然发生爆炸——爆炸往往是因为到了它的寿命尾期,或者由于它的核心塌缩,或者是由于吸积了别的物质。


在宋朝的1054年,大家突然发现白天里出现了一颗星,非常非常亮,在白天都可以清楚地看到。


这颗星就是著名的1054年超新星,它遗留下来的爆炸痕迹今天还可以在天空中看到,就是所谓的蟹状星云。


这颗超新星的爆炸亮度最大的时候,可以达到太阳亮度的100亿倍。



上图的右边,就可以看到,一个星系中一颗超新星爆发以后,它非常非常亮。


虽然它这么亮,但是要在宇宙的距离上看到它,还是很困难的。我们需要在非常远的地方找到这样的超新星。


天文学家在漫天星斗中寻找这种超新星,可能就是有一个地方稍微亮了一点儿,亮的那一点儿实际上就是个超新星。


超新星有不同的种类。


其中有一种超新星叫做Ia型的超新星,它的亮度经过一些修正后,可以作为一种标准烛光,并且可以拿它来确定距离。



在20年前,当时国际上有两个相互竞争的科学家团队,这两个团队有一个惊人的发现。


他们当时本来是想要测量宇宙到底是持续地膨胀下去,还是到一定程度以后会减速最后转成收缩,结果他们发现这两种情况都不对。


他们发现的是什么结果呢?


宇宙膨胀是在加速,越胀越快。


这项结果轰动了全球,其中贡献最大的几位科学家也获得了诺贝尔物理学奖。


宇宙中的暗物质


这就给我们提出了一个问题,就是为什么宇宙膨胀越来越快?原来这些大爆炸的提出者的预言错了吗?


科学家们进一步提出了各种理论,最终得到了一个结论,就是宇宙当中可能含有大量的暗能量。


现在组成宇宙的普通物质只占我们这个宇宙的5%左右,剩下的95%以上的,很可能都是一些我们不知道的物质,其中有百分之二十多是所谓的暗物质。


虽然暗物质不发光,我们看不到它,但是根据它的引力可以推测,它在星系或者星系团中大量存在,占这个宇宙的百分之二十多。


它的性质还算不难理解,它毕竟是产生万有引力的。


而这个暗能量,它的性质就非常奇异。


它的效应是使得宇宙的膨胀加速,也就是说相当于某种万有斥力一样,这是一种很神奇的东西。


正因为它这种神奇,我们给它起了个名字叫做“暗能量”,但是它到底是什么?我们其实并不知道。


有了暗能量以后,宇宙的命运就会发生很大的变化。


就是它不但在膨胀,而且膨胀得越来越快。


这样的一个宇宙会出现什么情况呢?



上图就展示了一种可能性,就是我们现在的星系周围还有很多别的星系。


但是宇宙这样膨胀下去,而且越胀越快,别的星系就会越来越少,因为它们都被膨胀到远处去了。


经过900多亿年以后,很可能最后就剩下我们自己孤零零地在这里,周围什么星系也看不见了。


我们这个宇宙可能就会在永恒的孤寂当中结束,就是永远待在这里,但是这也只是一种可能性。


因为我们并不知道暗能量到底是什么,所以它也存在着别的可能性。


有可能暗能量会越来越多。


如果越来越多的话,它甚至很可能不光是把别的星系都胀到远处。而是我们自己的这个星系最后没准也会被拉散开,甚至地球会被拉散开,我们的原子会被拉散开,这种就叫做“大撕裂”,这是一种可能性。


在这种情况下,宇宙到底会变成什么样子?我们又不知道了。


还有一种可能就是说,这个暗能量现在在驱动宇宙加速膨胀,但也许在未来某一天,它又反过来会使宇宙收缩,也有这种可能性。


所以这些可能性都是存在的,只有解开宇宙的暗能量之谜,才能够回答宇宙的命运是什么。


但是怎么解开这个谜呢?


首先我们需要对它有一个很精确的测量,提供给搞理论研究的人去分析。


实际上这个理论的研究者很多。目前的暗能量理论大概有几百种,这些理论都有一些理论上的出发点,但是都没有充足的证据。


所以我们需要观测去解决这个问题。


但是超新星的观测是不是就足够了呢?


其实有很多科学家对这个理论也是质疑的,就是说超新星是一种标准烛光,它爆炸的时候都是同样的亮度。


或者不是同样的亮度,但是修正一下可以当做同样的亮度。


但是,也许我们对超新星的认识是不完全的,也许存在着一些奇异的超新星,使我们误解了它。


有没有这种可能性呢?有这种可能性。


我们的办法就是用尽可能多的方式去测量它。


其中一种办法就是用宇宙大爆炸时候产生的声波振荡来测量,声波振荡为什么能用来测量这个东西呢?



上图左边有一个水塘,在雨天里落下来雨滴,你会发现上面有很多圆形的波纹,显然波纹是雨滴打到水上激起的,


仔细看的话,这些波纹有大有小。为什么会有大有小呢?


因为雨滴落进去的时刻是不一样的。


但是假如一桶水泼到这个湖面上,你会发现所有的水都是同一个时刻落在水上,它激起的波也是同样的,这样的话,所有的圆环都是同样大小的。


这个同样大小的圆环,如果混在一起,可能我们肉眼就已经不好分辨它了。


如果我们有一种数学的方法去对它进行分析,我们还是可以看出来这些圆环到底已经膨胀多大了。


用这种办法,我们提供了一种新的尺子,就是宇宙距离的“标准尺”来测量宇宙,这是另一种测量距离的方法,可以去检验甚至更精密地测量暗能量到底是什么东西。



可能大家会问,我们宇宙中的“水”是什么呢?


水在这个情况下就是星系的分布。


上面这幅图里,我们相当于站在中心,向周围远方望去,宇宙中存在着大量的星系。


图中每一个点,无论是桔色的点,还是绿色的点,实际上都代表一个星系。


这些星系分布的状态,如果仔细看,它其实是不规则的。


但是它好像又暗含着某种规则,就是它看上去像是一些纤维状的结构,但是我们看不出来有什么特殊之处。


如果把它分解成不同波长的话,你会发现它整体上、在比较大的尺度上(上图左侧),它比较高;在小的尺度上(上图右侧),它又会降下去。


降下去的过程中,它有一些振荡的痕迹。


如果我把整个降下去这部分去掉,你会看到中间的小插图里有振荡的痕迹。


这个振荡的尺度,就告诉我们宇宙不同的距离尺度,用它我们就可以了解宇宙距离是多少,是怎么样膨胀的。




用这种方法得到上图,其中灰色的线代表的是原来用超新星做的观测,蓝色的线代表的是用这种方法测到的观测。


大家会发现蓝色线都在这个灰色的上面,这都是几年以前的一次观测,数据也在不断地变化。


但是超新星和用这种声波振荡的方法测出来的距离,并不完全一致。


这种不完全一致到底仅仅是误差造成的,还是说有什么更深刻的意义?


现在还不了解,还需要更精确地进行观测。



国际上把暗能量作为当前一个很重大的科学问题,有很多很多实验去测量它。


包括未来发射的卫星,比如欧几里得卫星、WFIRST卫星,也包括升级一些地面的大型望远镜去进行观测等,但是这些观测大部分都是在光学波段的。


这样的话也有一个问题,我们看不到暗能量,做的这些观测都是有很多假定的。


那么光学观测看到的都是同样的恒星,会不会又有一些我们不了解的效应在欺骗我们呢?



射电观测,也就是无线电观测,提供了另外一种视角。


上图展示的是光学看到的星系(左)和用射电波段看到的同一个星系(右)


在无线电波段,或者叫射电波段,我们能看到什么呢?


其实这个宇宙中,最多的一种元素——不是在暗物质和暗能量中——在普通的物质中最多的一种元素是氢,因为氢元素在宇宙大爆炸中就形成了。


这个氢元素会产生一种波长为21厘米的辐射,波长21厘米实际上就是一种微波,这种微波辐射是可以被探测到的。


如果去测量这个辐射的强度,就会看到这个星系里头的中性氢,或者说氢原子是怎么样分布的。


这里展示了一个星系里的氢原子,希望提出用一种新的方法,也就是微波或者是无线电的方法,去进行这样的观测。



当然这个观测难度也是很大的。左边这个图展示的是美国的Arecibo望远镜,它的口径是300米,在之前几十年的时间里,它都是世界第一的射电望远镜。


它观测到的右图,可以看到有很多蓝点是光学观测的,而红点是无线电观测的。


大家会发现红点少很多,而且距离也不是很远,实际上就是说它的灵敏度相对光学来说还是差一些。


那有了更好的望远镜是不是就能够看得更远呢?我们国家建成了世界最大的单天线望远镜FAST。


FAST的设计师南仁东先生已经去世了。


2006年,南仁东先生提出要研制FAST,他也建议用FAST去做宇宙学的研究。


FAST虽然灵敏度提高了,但是看的距离还是有限的。


而且,FAST虽然已经很大了,但是如果要去看星系的话,还是看不太清楚,看不太清楚的话会不会有影响呢?



后来再仔细想了一下,发现问题也不大。


上图每一个点代表一个星系,我们去看整个星系的话,如果我们的分辨率不够,就看不出来单个的星系,它们都混在一起了,就成了下面那个图。


虽然看不见单个的星系,但能看到它们整个是怎么样分布的,用这种方法还可以进一步提高灵敏度,看到更远的宇宙。


天籁计划


而且,除了FAST本身可以做这方面的研究以外,研制专门的望远镜,也许用更小成本就可以实现更好的探测。



这样就提出了“天籁计划”。


这时候国外也有很多人提出了同样的想法,所以组成了“天籁联盟”。


“天籁”这个词来自庄子,他在《齐物论》中提到“天籁、地籁、人籁”。


“地籁”,像风刮过山谷的声音。


“人籁”,像人吹奏乐器的声音。


天籁是什么呢?


“天籁”是一种宇宙的韵律。想要探测宇宙大爆炸产生的声音,然后用它去理解暗能量到底是一种什么东西。


到目前为止,全世界有好多个实验在做宇宙距离上的中性氢,但谁也没有能够做到。


为什么呢?



因为如果你去看宇宙远处的中性氢,就像我们左边这个图最后的那个中性氢产生的信号。


在它前面叠加着一个很强的亮光,这个很强的亮光来自银河系,也就是右边图上展示的银河系的前景。


银河系前景辐射,比21厘米的信号大概强10万倍左右。


所以我们要想看到这个21厘米信号,就好像我们白天想要看到星星一样。


星星在那里,但是它淹没在大气散射的阳光中了。


必须用非常精密的手段,把这个东西减掉,才能看到这个信号。那么能不能减掉呢?


幸运的是,大自然还是给了我们一个机会。


因为银河系产生的这种同步辐射,或者说前景辐射,它是一种频谱很光滑的东西,看上去很平滑,是一条直线,或者是稍微有点儿弯曲的光滑的曲线。


把这个东西减掉以后,就会展现出氢原子的分布,造成21厘米辐射强度的变化。


所以原则上这是可以做到的,但是它需要非常精密的仪器和复杂的数据处理手段。



从2012年得到了立项支持以后,展开相关研究,在兴隆、内蒙古架设小型的天线进行这方面的实验。


我们还需要选一个最好的站址,因为天文产生的射电信号是非常微弱的,而地面上的像雷达、电视、手机等都会产生很强的干扰信号,我们必须避开这些干扰信号。


怎么样才能找到这种干扰信号最少的地方呢?


当然人烟越稀少产生的信号就越会少,最好周围有一些山遮挡一下。


但是,要是跑到一个无人区的地方,或者是海岛上,也有一个问题,就是还需要提供电力、通讯、道路等等,这是一个综合问题。



我们在全国选了大量的站址,跑了一百多处地方。从站址分布中大家可以看到,有很多分布在内蒙古。


我们一开始想在内蒙古找,原因就在于内蒙古离北京很近,对我们做实验是比较方便的。


但遗憾的是,后来我们发现内蒙古虽然人比较稀少,但地形太平了,一望无际的大草原,电波都可以传过来,所以干扰还是很严重的。



这个图是在FAST望远镜的周边,我们也做过选址,大家可以看到那些绿色的,是我们通过遥感地图找出来的一些小平地。


另外我们也去选了青海、西藏和新疆的很多地方。



我们当时跑这些地方很辛苦,但是也很有意思,见到了很多平时不容易见到的情况。


贵州平塘建设FAST的地方,我们最终还是放弃了,原因在于这个地方它的山很陡,非常非常陡。


我们可以带着设备走到里头,里边也有平地,但是车要翻过这个山就比较困难了,需要专门炸山修路。


这对于FAST这样很大的望远镜来说是可以的,但对于我们一开始做的这种小实验来说,成本太高,周期太长,我们就放弃了。



最后我们去了新疆,我们在新疆也跑了好几十个点。


这是最后我们找到的新疆的巴里坤,它位于新疆的东部,是丝绸之路上的一个小城。


大家有机会可以去瞧一瞧,非常美丽,在这个城的旁边就是雪山,也有汉代和唐代遗留下来的这种“烽燧”。


这个地方条件很艰苦,但是好处在于人烟确实比较稀少。


我们最后选站的站址离刚才说的那个小城还有160公里,人非常少,偶尔会碰上一些牧民和骆驼、羊。



我们在当地进行了建设,在建设的过程中,很多同事和同学们付出了艰苦的努力。


图中展示的是我们在安装天线。冬季如果降雪,做这个工作也很困难,当时我们的几位同事步行几公里,进入这个地方去进行维修和测试。


右下看上去穿着打扮像民工的这位,是我们组的吴锋泉副研究员,他写过很多论文。同时他还是一个多面手,能开铲车,也能修得了铲车,还能给我们搭建各种东西。


当时进去做维修很困难,他就自己带几个馕进去。夏天我们场地里有一些野生的沙葱,他就拔几根沙葱用水洗一下,就着馕吃。


我感到非常欣慰的是,我们的同事和同学们没有计较自己的付出,而是一起齐心协力把这个建成了。



这就是我们现在建成的望远镜阵列——天籁阵列。


前面一些圆形的我们叫碟形阵,后面是所谓的柱形阵。


对于这两种阵,大家可能会疑问,为什么要弄出两种来?其实现在也有一些争论,到底哪一种更有优势?我们通过比较来了解。



这个是柱形阵的另外一张照片。



这是我们的站房,在冬天那地方还是比较冷的。


我们在去年首次实现了初光的观测。



大家可以看到,右边就是我们用初光观测产生的天图,左边对应的是其它望远镜之前测到的天图。我们现在只是一次初步的测试,所以这还是一个不太灵敏的结果。


大家会看到,左边天图上的一些东西,右边也都看到了,但是右边还有一些左边没有的。


这当中有的是像移动的源,比如说像太阳造成的,也有的是初步结果里的一些假象,通过进一步的数学处理可以把它去掉。


我们下一步就要研究怎么把它处理掉,获得更好的图像。



如果最后我们取得成功的话,就要把这个阵列扩展出来去做整个的观测。


如果成功的话,我们会非常好地限制暗能量模型,甚至有可能探测到暗能量到底是不是随着宇宙的膨胀在变化。


为什么要去做天籁实验呢?


其实这个实验是有争议的,有很多人不一定完全赞同我的观点,但是我为什么要去做这个试验呢?能发表更多的论文吗?


其实不是,因为原来我做理论的时候,只要动动脑子很快就可以写出论文,而这个是要花很多时间去进行实验的工作。


更容易出成果吗?


当然也不是,这个工作实际上全世界目前都还没有成功,大家都在探索。


能保证取得成功吗?


我们不敢保证,因为有一些21厘米的实验已经进行十多年了,现在也还没有任何结果出来。


我们现在去尝试这个东西,并不知道什么时间能够取得成功。但是我为什么要去做它呢?


因为我觉得非常幸运,它给了我一个探索宇宙和发现新事物的机会。


最后分享一段引力波测试的视频。



两年前,人们第一次看到了引力波,轰动了全球。


但是引力波提出了以后,经过了近百年的尝试。


从六十年代大家就开始去做实验,一直到现在,经过几十年的多少代人的尝试,才最终实现了这样的探测。


实际上我原来还认为很可能我们的实验会比引力波先成功,但现在引力波已经成功了,我们还没有成功,但是我相信,迟早有一天我们也会取得成功的!


本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:陈学雷(中国科学院国家天文台研究员、宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家)

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