文/鐵文霖

日本國(guó)家天文臺(tái)、東京大學(xué)以及其他機(jī)構(gòu)的研究者已開(kāi)始使用建在夏威夷的斯巴魯望遠(yuǎn)鏡上的新型廣角相機(jī)Hyper Suprime-Cam來(lái)探測(cè)宇宙暗物質(zhì)的分布情況，探測(cè)的區(qū)域十分廣闊。最初，他們對(duì)巨蟹座附近的一片大小為2.3平方度的區(qū)域展開(kāi)探測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了9個(gè)巨大的暗物質(zhì)團(tuán)，每一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)的質(zhì)量都相當(dāng)于一個(gè)星系群。暗能量左右著宇宙的膨脹，要了解暗能量所起的作用，就必須研究暗物質(zhì)的分布情況和這種分布的變化規(guī)律。最初的觀測(cè)結(jié)果表明，天文學(xué)家已具備了一定的技術(shù)和手段，他們有能力去了解暗能量。因此，研究小組的下一步是要把探測(cè)范圍擴(kuò)大至1000平方度，并以此來(lái)揭開(kāi)暗能量和宇宙膨脹之謎。

暗能量制約了宇宙的膨脹。 要想弄清楚暗能量的性質(zhì)，先要摸清暗物質(zhì)在廣闊宇宙中的位置，這是基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵。最初的觀測(cè)結(jié)果表明，借助現(xiàn)有的研究技術(shù)和Hyper Suprime-Cam相機(jī)，研究小組有能力探究宇宙中暗物質(zhì)分布的變化規(guī)律，解開(kāi)暗能量之謎，從而全面仔細(xì)地研究宇宙的膨脹過(guò)程。

聰宮崎駿博士是Hyper Suprime-Cam的主要研制者，在日本高級(jí)技術(shù)中心下轄的國(guó)家天文臺(tái)工作，是研究小組組長(zhǎng)。他對(duì)Hyper Suprime-Cam的拍攝能力予以了肯定?！艾F(xiàn)在，我們既有技術(shù)又有設(shè)備，我們有能力去探索暗能量。我們準(zhǔn)備用Hyper Suprime-Cam的探測(cè)數(shù)據(jù)繪制一張暗物質(zhì)位置圖，它將涵蓋1000平方度的區(qū)域，全面而準(zhǔn)確地揭示宇宙的膨脹過(guò)程?！?/p>

1929年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹。自那以后，天文學(xué)家就沿用著一個(gè)暫時(shí)為人所接受的理論模型，這個(gè)模型中包含著一個(gè)宇宙膨脹速度參數(shù)，速度值會(huì)隨時(shí)間推移而變小。以前，引力是人們所知的唯一作用于星系之間的力，它抑制著宇宙的膨脹。但是，在20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家研究遙遠(yuǎn)的超新星的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)宇宙在加速擴(kuò)張。

科學(xué)家只有打破對(duì)物理學(xué)的固有認(rèn)識(shí)，才能明白他們發(fā)現(xiàn)了什么：他們要么相信宇宙間存在著某種暗能量，它產(chǎn)生的斥力迫使眾多星系相互遠(yuǎn)離，要么就得對(duì)引力物理做根本性修正。

宇宙膨脹速度與天體形成速度之間存在著某種關(guān)系，研究這種關(guān)系有助于解開(kāi)宇宙加速擴(kuò)張的奧秘。比如，如果宇宙正在快速膨脹，那么星系的聚合成形過(guò)程就會(huì)變長(zhǎng)。反之，如果宇宙在緩慢地膨脹，那么像星系這種天體結(jié)構(gòu)的形成速度就會(huì)加快。實(shí)際上，天體結(jié)構(gòu)的形成與宇宙膨脹是有直接聯(lián)系的。人們很難證明暗物質(zhì)的存在，也難以證實(shí)它影響著宇宙的擴(kuò)張，其中難就難在宇宙中的大部分物質(zhì)都是暗淡無(wú)光的。由于望遠(yuǎn)鏡是依靠聚光來(lái)成像的儀器，所以人們沒(méi)法直接用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不發(fā)光的東西。

有一種技術(shù)可以克服這一困難，那就是“弱透鏡效應(yīng)”的探測(cè)分析技術(shù)。暗物質(zhì)團(tuán)就像個(gè)透鏡，它能讓從后方遙遠(yuǎn)天體射來(lái)的光線偏轉(zhuǎn)。也許，通過(guò)分析背景光的偏轉(zhuǎn)程度以及背景天體形狀的變形程度，人們就能弄清前景中的暗物質(zhì)是如何分布的。通過(guò)對(duì)暗物質(zhì)以及暗物質(zhì)對(duì)空間的彎曲作用的分析，天文學(xué)家理清了暗物質(zhì)聚集的過(guò)程。暗物質(zhì)的聚集過(guò)程可能與宇宙的膨脹過(guò)程有關(guān)，而暗能量的某些物理性質(zhì)、能量的強(qiáng)弱及變化情況可能也會(huì)隨著暗物質(zhì)的凝聚而顯露出來(lái)。

為了獲得足夠的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家需對(duì)遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行觀察，那些星系與我們的距離超過(guò)了10億光年，分布區(qū)域超過(guò)10 0 0平方度（大約占整個(gè)天空區(qū)域的1/40）。以前，天文學(xué)家曾把斯巴魯望遠(yuǎn)鏡和Suprime-Cam結(jié)合使用，以在廣闊的區(qū)域內(nèi)搜尋遙遠(yuǎn)的昏暗天體，頗見(jiàn)成效。這兩個(gè)設(shè)備都是高規(guī)格設(shè)備，斯巴魯望遠(yuǎn)鏡的光圈直徑為8.2米，Hyper Suprime-Cam的前身Suprime-Cam的觀測(cè)視野為0.1平方度（相當(dāng)于月亮大?。?。

但這次， 即使是如此高性能的觀測(cè)設(shè)備也看不了那么遠(yuǎn)，天文學(xué)家無(wú)法用它來(lái)觀測(cè)那片10 0 0平方度的區(qū)域。聰宮崎駿博士說(shuō)：“因此，我們用了10年時(shí)間研制Hyper Suprime-Cam，它的圖像質(zhì)量和Suprime-Cam相差不多，但視野大了7倍多?！?/p>

2012年，人們給斯巴魯望遠(yuǎn)鏡裝上了Hyper Suprime-Cam。經(jīng)過(guò)測(cè)試性觀測(cè)，該望遠(yuǎn)鏡于2014年3月開(kāi)始成為天文學(xué)界的共用設(shè)備。另外，一個(gè)“具有戰(zhàn)略意義”的觀測(cè)計(jì)劃也已付諸實(shí)施，按計(jì)劃，天文學(xué)家要在5年里做300多次夜間觀察。這架相機(jī)擁有8.7億像素，一張膠片就可以拍下9個(gè)月亮那么大的區(qū)域，而且?guī)缀鯖](méi)有失真，圖像解析度可達(dá)到0.0001度（0.5弧秒）。

日本國(guó)家天文臺(tái)、東京大學(xué)及其合作機(jī)構(gòu)的研究者使用弱透鏡效應(yīng)分析技術(shù)分析了Hyper Suprime-Cam在試用期間拍下的資料。這些照片是天文學(xué)家花了2小時(shí)拍下來(lái)的，拍攝范圍為2.3平方度，照片上的眾多星系清晰可辨。通過(guò)判斷各星系自身的形狀，研究小組為前景中看不見(jiàn)的暗物質(zhì)制作了一張?zhí)祗w圖。最后，他們發(fā)現(xiàn)了9個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)，每個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)的質(zhì)量都等同于一個(gè)星系群。Hyper Suprime-Cam發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)團(tuán)的周圍有許多星系群的虛像，天文學(xué)家用其他望遠(yuǎn)鏡看到了與虛像相對(duì)應(yīng)的真正的星系群。這一觀測(cè)結(jié)果證明弱透鏡效應(yīng)分析技術(shù)是可靠的，由該技術(shù)得到的暗物質(zhì)天體圖也是可信的。天文學(xué)家用深空引力透鏡對(duì)觀測(cè)檔案中的數(shù)據(jù)做了星團(tuán)光學(xué)識(shí)別。

Hyper Suprime-Cam拍到的星系群的數(shù)量超過(guò)了天文學(xué)家根據(jù)現(xiàn)在的遠(yuǎn)古宇宙演化模型推測(cè)出的星系群數(shù)量。由于研究小組把暗物質(zhì)搜尋范圍擴(kuò)大到了他們期望的1000平方度，所以他們應(yīng)該能從這些數(shù)據(jù)中分辨出這種實(shí)際值超出理論值的現(xiàn)象究竟是真實(shí)情況還是統(tǒng)計(jì)上的巧合。如果實(shí)際值真的大于理論值，就說(shuō)明存在于遠(yuǎn)古宇宙中的暗能量并沒(méi)有人們料想的那么強(qiáng)，這為宇宙的緩慢膨脹提供了條件，也使得恒星和星系得以快速形成。

利用弱引力透鏡效應(yīng)搜尋暗物質(zhì)的做法就是利用與天體質(zhì)量相關(guān)的特性來(lái)尋找天體，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)某一天體的同時(shí)，也測(cè)算出了它的質(zhì)量。用此方法，人們可以直接得到天體質(zhì)量，而用其他尋找方式就做不到這一點(diǎn)。因此，研究暗物質(zhì)的質(zhì)量分布是準(zhǔn)確了解宇宙膨脹的重要方法。