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一幅由暗物質(zhì)和暗能量組成的網(wǎng)絡(luò)中星系的插圖顯示了引力透鏡的影響，藍(lán)綠色表示星系的天文臺(tái)真實(shí)位置和形狀，白色表示移動(dòng)的解開“透鏡”形狀和位置。(圖片鳴謝:uux.cn/Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)
（神秘的黑暗地球uux.cn）據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（羅伯特·李）：一個(gè)開創(chuàng)性的新天文臺(tái)將構(gòu)建有史以來(lái)最精確的宇宙地圖，在此過(guò)程中，宇宙它可能會(huì)解決兩個(gè)最緊迫的魯賓科學(xué)之謎:暗能量和暗物質(zhì)的性質(zhì)。總的天文臺(tái)來(lái)說(shuō)，這些成分構(gòu)成了所謂的解開黑暗宇宙。
Vera C. Rubin天文臺(tái)目前正在智利Cerro Pachón山的黑暗El Peón峰上開發(fā)，計(jì)劃于2025年開始運(yùn)營(yíng)。宇宙屆時(shí)，魯賓魯賓將進(jìn)行空間和時(shí)間的天文臺(tái)遺產(chǎn)調(diào)查(LSST)，在10年內(nèi)每隔幾個(gè)晚上觀察整個(gè)可見的解開南方天空。它將在每個(gè)夜晚捕捉多達(dá)1000張?zhí)炜請(qǐng)D像，黑暗讓科學(xué)家們對(duì)宇宙有一個(gè)令人興奮的宇宙新看法，并深入了解它是如何演變的。
當(dāng)它這樣做時(shí)，魯賓的寬視野將揭示暗物質(zhì)如何扭曲遙遠(yuǎn)星系的圖像，這將使科學(xué)家更好地繪制神秘物質(zhì)的地圖。而且，由于這個(gè)大規(guī)模的宇宙網(wǎng)絡(luò)似乎將星系拉在一起，而暗能量則將其推開，這可能會(huì)揭示這種宇宙“拔河”的細(xì)節(jié)，從而揭示暗能量和暗物質(zhì)如何交織在一起形成宇宙。
“有了魯賓，我們將擁有一切，”魯賓運(yùn)籌學(xué)專家安德烈斯·亞歷杭德羅·普拉扎斯·馬拉貢(Andrés Alejandro Plazas Malagón)在一份聲明中表示。“我們將測(cè)量比現(xiàn)在更多的星系的屬性，這將為我們提供統(tǒng)計(jì)能力，利用弱透鏡來(lái)繪制暗物質(zhì)的分布，并研究暗能量如何隨時(shí)間演變。”
魯賓是如何揭示黑暗宇宙的
暗物質(zhì)和暗能量對(duì)研究人員的研究具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榧词顾鼈冋加钪婵偰芰亢臀镔|(zhì)含量的95%(暗物質(zhì)代表27%，暗能量代表68%)，但它們對(duì)我們來(lái)說(shuō)本質(zhì)上是不可見的。這意味著構(gòu)成恒星、行星和我們周圍日常事物(包括我們的身體)的物質(zhì)只占宇宙內(nèi)容的5%。
暗物質(zhì)看不見的原因是它不與光相互作用。因此，只能通過(guò)它對(duì)光和我們實(shí)際能看到的“普通”物質(zhì)的引力效應(yīng)來(lái)推斷。事實(shí)上，這些引力效應(yīng)實(shí)際上有助于在星系旋轉(zhuǎn)時(shí)將它們的內(nèi)容保持在一起，這是美國(guó)天文學(xué)家維拉·c·魯賓的發(fā)現(xiàn)，她以自己的名字命名了這個(gè)革命性的新天文臺(tái)。雖然暗物質(zhì)在內(nèi)部將星系聚集在一起，但這些星系本身也聚集在一起，這意味著物質(zhì)在更大的范圍內(nèi)擴(kuò)散，保持我們宇宙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)大。
暗能量也在更大的尺度上發(fā)揮作用，加速宇宙的膨脹——在與時(shí)空結(jié)構(gòu)相互作用的同時(shí)，越來(lái)越快地推動(dòng)星系分離。
魯賓天文臺(tái)可以解開黑暗宇宙的秘密

黃昏時(shí)分出現(xiàn)在智利塞羅巴洪的埃爾佩尼翁峰上的維拉c魯賓天文臺(tái)。(圖片鳴謝:uux.cn/Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)
“你可以認(rèn)為暗物質(zhì)試圖建立宇宙結(jié)構(gòu)，而暗能量實(shí)際上試圖稀釋它們，并將它們分開，”Plazas Malagón說(shuō)。
宇宙常數(shù)描述了暗能量的活動(dòng)，但這被一些科學(xué)家描述為“物理學(xué)歷史上最糟糕的理論預(yù)測(cè)”，這種說(shuō)法也并不夸張。量子場(chǎng)論預(yù)測(cè)的宇宙常數(shù)的理論值，考慮了宇宙中的所有粒子，比天文學(xué)家觀測(cè)宇宙測(cè)得的值大120個(gè)數(shù)量級(jí)。
這相當(dāng)于測(cè)量一袋糖，發(fā)現(xiàn)它重1磅，而你對(duì)單粒糖的計(jì)數(shù)預(yù)測(cè)它應(yīng)該重10^120磅(1后面跟著120個(gè)零)。
魯賓可以幫助確定宇宙常數(shù)的精確值，他可以利用一種叫做引力透鏡的現(xiàn)象更好地繪制不可見的、跨越宇宙的暗物質(zhì)宇宙網(wǎng)絡(luò)，這種現(xiàn)象由阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對(duì)論中首次預(yù)測(cè)。
廣義相對(duì)論認(rèn)為有質(zhì)量的物體對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)有“扭曲”效應(yīng)。質(zhì)量越大，扭曲越嚴(yán)重。從時(shí)空的扭曲中，重力的概念產(chǎn)生了。
魯賓天文臺(tái)可以解開黑暗宇宙的秘密

一幅插圖顯示了光線在穿過(guò)暗物質(zhì)的宇宙網(wǎng)絡(luò)時(shí)被引力透鏡彎曲。(圖片鳴謝:uux.cn/Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)
當(dāng)光通過(guò)時(shí)空中的一個(gè)扭曲或“凹痕”時(shí)，它的路徑就會(huì)彎曲。這意味著，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量很大的物體位于地球和遠(yuǎn)處光源之間時(shí)，來(lái)自背景光源的光可以繞過(guò)介入物體，根據(jù)它們掠過(guò)介入物體本身的距離，這些光會(huì)彎曲到不同的極端。有時(shí)候，那些路徑導(dǎo)致光的來(lái)源從我們地球上的有利位置看起來(lái)被放大了。這種現(xiàn)象被稱為“引力透鏡”
暗物質(zhì)也有質(zhì)量；因此，盡管物質(zhì)的神秘形式本身并不與光相互作用，它也參與了光的彎曲。這種效應(yīng)已經(jīng)被用來(lái)確定大多數(shù)星系都被一個(gè)暗物質(zhì)環(huán)所包圍。
在被稱為“強(qiáng)透鏡”的極端情況下，彎曲時(shí)空的效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致物體在同一張圖像中出現(xiàn)多次，或者導(dǎo)致背景物體出現(xiàn)模糊或扭曲。這可以放大光線，讓遠(yuǎn)處模糊的物體清晰可見。然而，還有更微妙的引力透鏡現(xiàn)象，稱為“弱透鏡”，它們本身就很有用。
斯坦福大學(xué)博士候選人西奧·舒特在聲明中說(shuō):“如果強(qiáng)透鏡就像透過(guò)酒杯底部觀看，那么弱透鏡就像透過(guò)一扇巨大的、非常微妙扭曲的窗戶觀看。”
弱透鏡效應(yīng)不僅會(huì)出現(xiàn)在大質(zhì)量物體(如星系或星團(tuán))產(chǎn)生的強(qiáng)透鏡效應(yīng)的邊緣，還會(huì)出現(xiàn)在被認(rèn)為彌漫宇宙的大規(guī)模暗物質(zhì)宇宙網(wǎng)中。這導(dǎo)致了遙遠(yuǎn)星系的細(xì)微扭曲，這種扭曲通常太輕微了，以至于它們自己看不到，但是當(dāng)考慮到同時(shí)對(duì)幾個(gè)星系的累積扭曲效應(yīng)時(shí)，這種扭曲是可以計(jì)算的。
這最終意味著，要看到宇宙暗物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的弱透鏡效應(yīng)，需要一個(gè)龐大的星系數(shù)據(jù)集和整個(gè)天空的集體扭曲視圖。
這就是魯賓的用武之地。
憑借其8.4米望遠(yuǎn)鏡提供的巨大視野，配有世界上最大的數(shù)碼相機(jī)，該天文臺(tái)將能夠可視化大片天空，并收集數(shù)十億個(gè)星系及其形狀的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，魯賓可能如此強(qiáng)大，以至于它有可能提出證據(jù)，證明暗物質(zhì)和暗能量根本不是宇宙的正確成分——而且可能需要一個(gè)修正的引力理論來(lái)解釋我們周圍看到的宇宙。
“暗能量是一個(gè)符合愛因斯坦廣義相對(duì)論中公認(rèn)的引力理論的概念，但魯賓和LSST也將允許我們探索它的替代物，這也令人難以置信地興奮，”Plazas Malagón總結(jié)道。

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魯賓天文臺(tái)可以解開黑暗宇宙的秘密

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