暗物质宇宙的奥秘可以通过鲁宾天文台来解开

光与生命——促进宇宙演变的文明

凭借其遗留的空间和时间调查，新天文台有望绘制出有史以来最精确的宇宙地图。

一张星系在暗物质和暗能量网中的插图显示了引力透镜效应的影响，蓝绿色表示星系的真实位置和形状，白色表示“透镜”形状和位置的移位。

(图片来源：鲁宾天文台/努瓦尔实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/J﹒平托)

一个开创性的新天文台将建立有史以来最精确的宇宙地图，在这个过程中，它可以解决两个科学上最紧迫的谜团：暗能量和暗物质的本质。这些组成部分共同构成了我们所知的暗物质宇宙。

维拉 C﹒ 鲁宾天文台目前正在智利塞罗·帕孔山的埃尔﹒佩尼翁峰顶上开发，计划于2025年开始运行。当它到达时，鲁宾将进行空间和时间的遗留调查(LSST)，在10年内每隔几个晚上观察整个可见的南方天空。它将在每个夜晚捕捉多达1000张天空图像，为科学家提供令人兴奋的宇宙新视角，并深入了解它的形成。

在此过程中，鲁宾天文台的广角视阈将揭示暗物质宇宙网络如何扭曲遥远星系的图像，使科学家能够更好地绘制神秘物质的地图。而且，由于庞大的宇宙网络将星系聚集在一起，暗能量则将它们分开，这会揭示宇宙引力拉伸“拔河”的细节，从而揭示暗能量和暗物质是如何交织在一起塑造宇宙的。

“有了鲁宾，我们将拥有一切，”鲁宾的运营科学家安德里萨斯·亚历杭德罗·普拉扎斯﹒马拉贡在一份声明中说。“我们将测量比现在多得多的星系的特性，这将给我们提供统计能力，利用弱透镜来绘制暗物质的分布，并研究暗能量是如何随时间演变的。”

鲁宾天文台是如何解秘暗物质宇宙的呢

暗物质和暗能量对研究人员来说是一个挑战，因为即使它们占宇宙总能量和物质含量的95%(暗物质占27%，暗能量占68%)，它们对我们来说基本上是不可见的。这意味着构成恒星、行星和我们周围的一切(包括我们的身体)的物质只占宇宙含量的5%。

暗物质不可见的原因是它不与光相互作用。因此，只能通过它对光和我们实际能看到的“普通”物质的引力效应来推断。事实上，这些引力效应确实有助于在星系旋转时将星系中的物质聚集在一起，这是天文学家维拉·c·鲁宾(Vera C. Rubin)的发现，这个革命性的新天文台以她的名字命名。虽然暗物质在内部将星系聚集在一起，星系本身也通过相互作用聚集在一起，意味着暗物质在更大的范围内，使我们的宇宙结构保持强大。

暗能量也在更大的尺度上起作用，加速宇宙的膨胀——在与空间和时间的结构相互作用的同时，将星系分开得更快(越来越快)。

一幅插图显示了当光线穿过暗物质的宇宙网时，由于引力透镜而弯曲。(图片来源：鲁宾天文台/努瓦尔实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/J﹒平托)

维拉•c•鲁宾天文台在智利塞罗·帕孔山的埃尔﹒佩尼翁峰顶的黄昏。(图片来源：鲁宾天文台/努瓦尔实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/J·平托)

“你可以把暗物质想像成试图构建宇宙结构，而实际上是试图稀释它们并将它们分开，”普拉萨斯﹒马拉贡说。

暗能量的作用是由宇宙常数描述的，但这被一些科学家描述为“物理学史上最糟糕的理论预测”，毫不夸张地说，宇宙常数的理论值，正如量子场论预测并解释宇宙中所有的粒子，比天文学家观测宇宙时测量到的值要大120个数量级。

这相当于测量一袋糖，发现它重1磅，而你计算的每粒糖的重量应该是10^120磅(1后面有120个0)。

鲁宾可以利用引力透镜效应更好地绘制不可见的、横跨宇宙的暗物质宇宙网图，从而帮助确定宇宙常数值。引力透镜效应最早是由阿尔伯特·爱因斯坦在1915年的广义相对论中预言的。

广义相对论认为，有质量的物体会对宇宙的结构产生“扭曲”效应。质量越大，扭曲就越极端。从时空的这种扭曲中，引力的概念出现了。

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当光在时空中经过这些弯曲或凹痕时，它的路径就会弯曲，当一个大质量的物体位于地球和远处光源之间时，来自该光源的光可以围绕中间物体的路径，根据它们掠过中间物体的距离弯曲到不同的极端。有时候，我们在地球上看，这些路径会把光源放大。这种现象被称为“引力透镜效应”。

暗物质也有质量；因此，它有使光弯曲的功能，这种神秘的物质本身不参与光的反应。这种效应被用来确定大多数星系都被暗物质光环所包围。

在被称为“强透镜效应”的极端情况下，时空弯曲导致物体在同一图像中多次出现，或者导致物体镜像出模糊或扭曲。这可以放大光线，使远处和微弱光线的物体被看到。然而，还有更微妙的引力透镜现象，被称为“弱透镜”，它们本身就很有用。

斯坦福大学(Stanford University)博士候选人西奥·舒特(Theo Shutt)在声明中说：“如果强透镜效应就像透过酒杯底部看东西，弱透镜效应就像透过一扇非常微妙扭曲的大窗户看东西。”

弱透镜效应不仅可以发生在大质量物体(如星系或星团)产生的强透镜效应的边缘，也可以发生在贯穿在宇宙中的暗物质的大规模宇宙网络上。这导致了遥远星系的微妙扭曲，这种扭曲通常太过微小，无法单独观察到，但如果考虑到同时对几个星系的累积扭曲效应，就可以计算出来。

这最终意味着，将弱透镜效应视为宇宙暗物质网的结果，需要一个庞大的星系数据集和对整个天空集体扭曲的看法。

这就是鲁宾天文台的用武之地。

配有世界上最大的数码相机的8.4米望远镜提供了巨大的视野，天文台将能够使巨大的天空斑块可视化，并收集有关数十亿星系及其形状的数据。事实上，鲁宾如此强大，以至于它能证明暗物质和暗能量根本不是宇宙的真正组成成分，并且可能需要一种修正的引力理论来解释我们周围的宇宙。

普拉萨斯．马拉贡总结道：“暗能量是一个符合爱因斯坦广义相对论中公认的引力理论的概念，但鲁宾和大口径全景巡天望远镜也将允许我们探索替代理论，这将令人难以置信兴奋。”

BY:Robert Lea

FY: Janer

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