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betway必威官网手机版它决定了宇宙的最终命运,

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-07-19 12:21

有史以来最重要的暗能量探测项目很可能要被取消了。

NASA计划用间谍望远镜研究暗能量

美宇航局暗能量探测面临成本危机 航天局严格评估下一个大型空间天文观测站计划

“人类史上首张黑洞照片”仍在刷屏。为了完成这张特写,科学家们调动了全球从两极到赤道共8个天文台的力量进行图片数据拍摄,之后,又有来自全球的62家科研机构共同参与了照片的合成。

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这个恐怕已经命不久矣的项目叫做宽视场红外巡天望远镜(Wide Field Infrared Survey Telescope,简称WFIRST,读作“W-first”)。虽然直到两年前WFIRST才在美国宇航局(NASA)正式立项,但这台命途多舛的望远镜身上,寄托着宇宙学家们20年的心血和期待。

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有人形容,观测黑洞的难度,就像让站在地球上的你寻找月球上的一枚硬币一样。目前,我们人类最强大的光学望远镜能够拍摄到最清晰的月球表面,其画面为1.3万像素,而每个像素里能容纳150万个硬币。难度可想而知。

20多年前,科学家发现宇宙膨胀正在加速,并称其原因为“暗能量”。此后的大量研究不仅未能揭示暗能量的本质,反倒引出更多问题:宇宙未来会终结于大挤压还是大撕裂?我们是否生活在多重宇宙中?……随着近期和未来一些实验的展开,科学家希望能最终得到答案。

betway必威官网手机版 4WFIRST的艺术想象图。图片来源:www.nasa.gov

本报讯 曾有两架望远镜被设计用来在太空中俯视地球以搜集情报。如今,美国宇航局希望能够重塑这些设备,进而用其来研究暗能量、太阳系外行星,以及其他大量天文学课题。

广角红外巡天望远镜 图片来源:NASA GSFC/CI Lab

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撰文 | 亚当·里斯(Adam Riess)

让我们从20年前说起……

1998年,两个美国的研究组通过分析超新星数据,各自独立地发现了宇宙在加速膨胀(这背后的故事精彩纷呈,足以拍一部电影,以后有空我们再细讲)。这是继埃德温·哈勃于1929年发现宇宙膨胀以来最重大的宇宙学发现,它也让三位科学家获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

betway必威官网手机版 6从左至右依次为这三位诺贝尔物理学奖获奖者:索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)、布赖恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)。图片来源:Wikipedia

这个发现意味着我们的宇宙很可能由一种非常神秘的成分主宰,那就是所谓的暗能量

而且这个暗能量有三大特点:

  1. 它是暗的。

  2. 它会产生斥力。

  3. 它在宇宙中均匀分布,不会成团。

一般认为,暗能量是一种真空的能量,其密度极小,每立方厘米的质量约为10万亿亿亿分之一克,以致于我们在宏观尺度上完全无法感知它的存在;但放眼整个宇宙,暗能量将聚沙成塔,变成了统治整个宇宙的力量(最新的天文观测表明,暗能量约占宇宙中总物质组分的68%)。

betway必威官网手机版 7目前已知在整个宇宙中,常规物质(Ordinary Matter)占4.9%,暗物质(Dark Matter)占26.8%,暗能量(Dark Energy)占68.3%。图片来源:arstechnica.com

暗能量有一个最关键的物理量,那就是它的状态方程w。w的大小将决定宇宙的最终命运。如果在未来,w的值变得小于-1,宇宙就会遇到一个被称为“大撕裂”的末日,到时宇宙中所有的结构,无论是银河系、太阳系、地球,还是我们本身,都会从内部被幻影暗能量撕碎,就连原子都不能幸免;反之,如果w的值永远都大于等于-1,宇宙就会一直膨胀下去。所以,只有弄清楚暗能量的本质,我们才能知道宇宙的最终命运,进而回答“我们将往何处去?”的终极问题。

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这些望远镜最初由负责管理美国间谍卫星的国家侦察局部署,但最终发现竟是多余的。去年夏天,NRO将这些剩余的设备——每个都有哈勃空间望远镜般大小,均为2.4米——作为礼物送给了NASA。在过去的几个月中,NASA的官员以及一个天文学家小组已经设计了一项初步计划,以便将这些望远镜转化为宽视场红外巡天望远镜计划的一个组成部分。

美国宇航局下一个重要太空天文台在2025年发射后,其目的旨在解决天文学领域一些最大的问题,其中包括系外行星看起来像什么以及暗能量如何驱动宇宙膨胀等问题。但该项目的成本正在猛向上蹿,NASA经理人正在设法控制预算。

而且,如果没有机器学习等相关的数据处理技术,这人类史上第一张照片可能要推迟个几十年面世了。

撰文 |马里奥·利维奥(Mario Livio)

观测暗能量,没那么简单

进入21世纪以后,天文学家又通过其他观测技术进一步确认了暗能量的存在。

betway必威官网手机版 9几种能够用来观测暗能量的技术。供图:王爽,来自王爽的果壳科学人直播专栏

但是当前的暗能量观测面临着一个很大的问题:不同的暗能量观测是用不同的望远镜完成的。这种状况有点像盲人摸象:一个望远镜只能完成一种暗能量观测,而一种暗能量观测又只能触碰到暗能量的一个局部;很明显,这样我们就无法看到暗能量的全貌了。

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所以早在21世纪初,一些宇宙学家就提出要建造一个专门用于研究暗能量的望远镜,能够完成所有的暗能量观测。这样一来,我们就能同时看到暗能量的多个局部,进而拼凑出暗能量的全貌。

这些人的努力最后汇聚成了一个项目,那就是WFIRST的前身——联合暗能量任务(Joint Dark Energy Mission,简称JDEM)。按照原始的设计,它将是一个1.5米口径、造价16亿美元的空间望远镜。

betway必威官网手机版 11WFIRST将具有与哈勃望远镜相同的图像精度,但百倍于后者的视野范围。图片截取自NASA官网介绍WFIRST的视频,现在再看这个视频,有些伤感。图片来源:www.nasa.gov

2010年,美国科学院成立了一个十年调查委员会,以重要性和可行性为标准,对未来10年所要支持的天文观测项目做了一个排序。在这次排序中,JDEM受到了极高的评价,但同时委员会认为JDEM的造价太高,花这么多钱却只研究一个暗能量,有点不划算。所以,他们就把JDEM和另一个探测太阳系外行星的项目拼在了一起,形成了一个全新的项目这就是WFIRST的由来

顺便一提,WFIRST这个名字起得还是挺讲究的。前面说过,“W”代表暗能量的状态方程,而“FIRST”则是英文中第一的意思。所以,尽管被迫和探测太阳系外行星的项目绑在了一起,JDEM的成员还是向外界传达出了“暗能量优先”的理念。

在十年调查委员会的总结报告中,WFIRST被列为了空间探测项目的第一名。换言之,它成了未来10年最重要、也是优先级最高的空间探测项目。虽然有这么高的起点,但是WFIRST却相当时运不济,迟迟无法获得任何财政支持。这是因为之前立项的另一台望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,简称JWST)太过昂贵,占用了NASA太多的资源。

直到2016年2月17日,WFIRST才终于正式立项。如果一切顺利的话,这个2.4米口径的空间望远镜,将于本世纪20年代中期上天。它将让人类有能力以前所未有的精度,来研究暗能量的性质,进而探究宇宙的终极命运。

但问题就出在这个“如果”上。

WFIRST旨在研究暗能量和太阳系外行星,但由于其预计耗资15亿美元以及NASA预算的紧缩,导致该局已经排除了在本世纪20年代中期之前部署WFIRST的可能性。如今,NRO的礼物重燃了激活WFIRST的希望。这两台仪器目前被放置在纽约州罗彻斯特市的一间无尘室中,且每年将使NASA付出10万美元的储存成本。

广角红外巡天望远镜自从近10年前被提出之后,其视野范围和复杂程度已进一步提升,同时其价格也已经从2010年的16亿美元增加到目前的32亿美元(相当于2010年的24亿美元预算额)。这引起了NASA的注意,该机构在今年4月委托一个独立空间专家团队对此进行评估。相关评估报告将在接下来几个月产生结果。

从观测角度来看,这是基线最长、规模最大的一次关于黑洞的射电成像;从科学的角度,这也是第一次高分辨率的观测黑洞边界,也是一次激动人心的观测验证理论的大事件,重要性不亚于引力波被发现。

翻译 | 庞玮

WFIRST前途未卜

2018年2月,美国联邦政府新一年的预算报告公布了。这份报告里明确提出要取消对WFIRST的财政资助。这样一来,无数宇宙学家20年的心血恐怕就将付之东流。

按照正常的流程,政府预算报告还需要得到议会两院的表决通过;最迟到今年的6月30日,美国国会就要完成所有拨款方案的立法工作。也就是说,人们还有4个月的时间来挽救WFIRST,尽管希望非常渺茫。

这让人不由地联想到上世纪九十年代克林顿政府中止资助超导超级对撞机(Superconducting Super Collider,简称SSC)的情景。由于美国突然停止建造SSC,而欧盟则继续支持建造大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC),世界高能物理中心在经历了半个世纪后,又从美国重新迁回了欧洲。

别了,WFIRST。(编辑:婉珺)

NASA空间物理部门主管Paul Hertz表示:“我的大部分同事认为它具有广阔的前景。”然而NASA的官员警告说,他们将花时间详细评估是否需要重新设置这些望远镜的用途,以及将其整合到WFIRST项目中需要花多少钱。

总体而言,NASA希望避免WRIRST走詹姆斯:韦伯望远镜的老路,JWST是哈勃望远镜的继任者,计划在2018年发射。该项目的成本从2000年初期的10亿美元一路飙升到88亿美元,几乎耗尽了NASA的天文物理预算额。

根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分为恒星级质量黑洞(几十倍-上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞三类。

宇宙每分每秒都在扩大,星系相互远离,星系团之间也渐行渐远,就连空无一物的星际空间都越来越浩渺,自20世纪20年代埃德温·哈勃(Edwin Hubble)等人发现宇宙膨胀之后,这些知识已广为人知。但在近些年,天文学家发现上述过程正在加速,宇宙膨胀的步伐不断加快,星系相对彼此退行的速度也在变得越来越快。

暗能量是一种不可见、能推动天体运动的能量,宇宙中所有恒星和行星的运动皆由暗能量和万有引力推动。

WFIRST评估旨在规避这种灾难。“现在是分析该任务规模和范围的好时机。”NASA天文学理学部原主任、美国纽约市非盈利空间探索组织BoldlyGo研究所首席执行官Jon Morse说,“没人希望这个设备的成本翻一番。”

要对黑洞成像,最好的工具莫过于甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技术。VLBI利用广为分布(距离可达上万或几十万公里)的射电望远镜,通过各台站独立记录信号和后期对信号的综合相关处理,获得一个大小相当于各台站之间最大间距的巨型望远镜。该技术可取得天文研究中最高的分辨本领。

这个令人震惊的事实,就是本文作者之一里斯和澳大利亚国立大学的布赖恩·施密特(Brian Schmidt)共同领导的小组,在1998年通过测量遥远的超新星爆发而发现的。同年,加利福尼亚大学伯克利分校的索尔·佩尔穆特(Saul Perlmutter)带领的小组利用类似方法得到了相同的结果。结论显而易见:一定有什么在推动宇宙加速膨胀,但究竟是什么呢?

哈勃空间望远镜于1990年发射入轨,是迄今观测成果最“高产”的天文仪器之一,目前仍在服役。美国正与欧洲及加拿大航天机构联合开发大型红外望远镜——詹姆斯:韦布望远镜,其主要任务是搜寻宇宙中形成的首个星系或发光天体,观测恒星系统的形成并搜寻类地行星。

WFIRST是2010年天文学和天体物理学领域未来10年调查项目中的顶级大规模空间任务,这是研究人员规划的未来10年优先开展的项目名单。随后,国家侦查局给了NASA一个直径2.4米的望远镜镜面,以此替换WFIRST计划使用的直径1.5的镜面,从此NASA开始了它的远大梦想。更大的镜面让NASA可以在其上安装一个日冕仪,该设备可通过阻止它围绕其运行的恒星的光来研究系外行星。

随着新的、高灵敏度亚毫米波台站(尤其是Atacama Large Millimeter/submillimeter Array等)加入到全球1.3毫米-VLBI阵列,黑洞的成像观测成为可能。

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《中国科学报》 (2012-06-06 A2 国际)

NASA还做了另一个设计上的改变以匹配更大的镜面。它还考虑添加一个“遮星物”——像伞一样自由漂移的探测器,它可以沿着WFIRST飞行,同时阻挡足够的光线让该望远镜探测类地行星。

由于需要极高的灵敏度,组成全球网络的8个射电望远镜分布在多个高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。“这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”中方科学家、上海天文台研究员路如森说。

亚当·里斯

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WFIRST的核心是一个巨大的相机,其上装载了18个探测器,每个都能拍摄16兆像素的图像,使其视域相当于哈勃望远镜的200倍。“当拥有如此巨大的视域时,你将能够解决用哈勃望远镜或韦伯望远镜所不可能解决的问题。”马里兰州戈达徳太空飞行中心WFIRST项目科学家Jeffrey Kruk说。

“看”得远、“看”得清仍然不够,给黑洞拍照还要“看”得准(最佳波段在1毫米附近)。黑洞周围气体的辐射在短毫米波段变得透明,这一点对黑洞成像至关重要。

这种东西能产生斥力,因为很明显它正在将宇宙向外推挤,我们给它起了一个名字——暗能量(Dark Energy)。在对其进行了将近20年的研究之后,暗能量的物理本质仍然和最初一样难以捉摸。而一些最新观测与目前所有的流行理论都难以吻合,让问题变得更加复杂。

这包括测量宇宙如何随时间发展而演变,这将有助于了解暗能量的本质。WFIRST的数据还能补充21世纪20年代初即将上线的若干其他暗能量探测器的观测,那些探测器中包括诸如欧洲空间局的欧几里得探针,宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基:梅隆大学天体物理学家Rachel Mandelbaum说。

台站的布局、灵敏度的提升等很多重要因素也需要考虑。

眼前,我们有几个问题迫切地需要解答:什么是暗能量?暗能量的本质对宇宙的未来有何影响?最后,暗能量的奇怪性质是否暗示着我们宇宙的属性是随机获得的,这个宇宙实际上是多重宇宙的一部分,而这个多重宇宙还包含很多其他宇宙,每个都有不同的性质和不同强度的暗能量?

WFIRST的系外行星研究将包括直接在银河系中心的恒星范围内狩猎行星,并用日冕仪直接对其他行星成像。日冕仪旨在验证未来任务的技术,但也能够拍摄海王星大小的行星。“我们真的希望和期待在系外行星科学领域带来革命。”日冕仪团队负责人、新泽西州普林斯顿大学技术专家和工程师Jeremy Kasdin说。

组成EHT望远镜分别是:南极望远镜(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

对暗能量本质的全力探寻已经开始,如果几个新天文观测项目进展顺利的话,前景一片光明,我们希望在下个10年内可以开始回答上述问题,从而更为深入地理解宇宙加速膨胀的本质,当然也可能无奈地将某些悬而未决的问题继续束之高阁。

然而,实现所有这些目标却仅有如此多的资金。去年8月,对NASA的2010年10年优先发展目标进展进行评估后发现,WFIRST存在成本剧烈增加的风险。该评估引用了日冕仪(另一个不同的专家组评估认为其成本在3.5亿美元左右)的成本和设计变化,这可能会另外需要5.5亿美元。

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什么是暗能量

华盛顿特区NASA总部该任务项目主任John Gagosian表示,新研究将帮助NASA评估如何在保留尽可能多的WFIRST科学性能的同时,尽可能地使其成本控制在预算范围之内。但他认为,“若以目前的任务范围和要求来看,用32亿美元或更少资金完成项目”并不合理。

EHT项目此前宣布,用这一虚拟望远镜“拍照”的重点对象是两个黑洞,一个是位于银河系中心的“人马座A*”,另一个位于代号M87的超巨椭圆星系中心。黑洞照片是由此望远镜网络收集的数据,拼凑而成。

科学家提出了诸多假说,来解释宇宙的加速膨胀。其中,头号候选理论认为加速膨胀的驱动力源自宇宙空间本身的属性。量子力学认为真空并非“空无一物”,而是充斥着大量“虚”的粒子和反粒子对,它们同时产生,刹那之间又相互湮灭。尽管听上去很奇怪,但这些仅能存在一瞬间的粒子对携带着能量,而能量与质量一样,能产生引力。不过与质量不同的是,能量不仅能够产生吸引的引力,还能够产生推斥的引力,这取决于其压强是正还是负。按照量子理论,真空中的能量应该具有负压强,因此有可能就是它们产生了导致宇宙加速膨胀的推斥引力。

一个可能的削减是去掉日冕仪,或是缩减其性能。其他的还包括减少广角相机上的探测器数量,或者是减少进行暗能量研究的时间。

在这次拍照前,天文学家是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,主要有三类代表性证据:一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞的强引力对周围的恒星、气体会产生影响,科学家可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在;二是根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在;三是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。此外,还有很多类似证据,无不说明黑洞真实存在。

这个理论等价于“宇宙学常数”,即爱因斯坦在其广义相对论方程中加入的一个常数项,用来表示空间本身具有的均匀能量密度。如其名称“宇宙学常数”所示,这个假说认为暗能量密度也是一个常数,不随时间和空间变化。目前天体物理的观测证据与这种宇宙常数假设比较相符,当然也并非完全一致。

这些“勒紧腰带”的做法是否能让WFIRST的成本保持在32亿美元以内仍未可知。另一个同比节省资金的方法是延长该项目的寿命,Kruk说,但这将会增加整体成本。如果在2025年之后发射,将会使其错过与JWST在时间上交叠观察以寻找罕见天体的机会。

但安徽省合肥市中国科技大学天体物理学家杨伟教授表示,即使在最高分辨率的情况下,图像仍会留下一些未解决的基本问题。

除此之外,暗能量也可能是一种被称为“精质”(quintessence)的能量场,弥漫在整个宇宙之中,占据空间的每一点,可以抵消引力的吸引作用。物理学家对场并不陌生——无处不在的电磁力和引力就通过场来发挥作用(尽管它们通常来自一个局域的场源,而非充斥整个空间)。

WFIRST的下一个主要里程碑将会在评估专家组递交其建议后到来。今年年底或明年年初,该项目经理人将要决定他们可能需要裁剪掉探测器的哪一部分,从而使整个项目生存下来。

例如,黑洞的正中心被认为小于原子。然而,亚原子世界受量子物理学的支配,量子物理学是一套完全不同于爱因斯坦为宇宙规划的方程式的规则。“最终的真相仍将留在黑暗中。”他说。

如果暗能量是一个场,它就不太可能是一个常数,而且也可能会随着时间变化。如此一来,过去的暗能量可能比现在更强或是更弱,对宇宙的影响也因时而异。同样地,它的强度和对宇宙演化的影响也可能在未来发生变化。在这个理论一个名为渐冻场的版本中,暗能量的变化随着时间推移会越来越慢,与之相对的解冻版本则认为暗能量场的变化会越来越快。

EHT也表示,后续还会给更多黑洞进行拍照及研究,人类将能更深入地理解宇宙。

第三种解释宇宙加速膨胀的理论认为,根本没有什么暗能量,宇宙的加速膨胀源于爱因斯坦的引力理论无法解释的物理现象。爱因斯坦的理论是不完备的,有可能在极大的尺度下,比如星系团或者整个可观测宇宙的跨度下,引力定律会偏离目前的理论预测,带来异常的引力效应。

“黑洞”之谜还有待深入,人类历史上那些顶级观测望远镜在探索太空的征程上却永不止步:

物理学家已经沿着这个方向开展了一些十分有趣的理论探索,但是还未能找到一个与目前所有观测相吻合的自洽理论,因此目前看来暗能量假设仍然占据上风。

1)中国

宇宙的未来

首个X射线太空望远镜

暗能量的性质将决定宇宙的最终命运。如果暗能量真的是真空能(或者说是宇宙学常数),那加速将永远持续下去,大约在1万亿年之后除了离银河系最近的那些星系(即本星系群,到那时会合并成一个大型的椭圆星系)之外,其他所有星系都会以光速远离我们,再也无法观测到。就算是来自宇宙大爆炸的远古晨曦——宇宙微波背景辐射,到那时波长也会被拉扯到与整个可观测宇宙的尺度相当,因此难以察觉。在这样的图景中,我们恰好生活在一个非常幸运的时间段,拥有观察周围宇宙的最佳时机。

2017年6月15日早上,中国发射了首个X射线太空望远镜,该望远镜将被用于观测诸如黑洞、脉冲星和伽马射线暴、暗物质、中子星、超新星等高能实体,以更好地理解它们的能量来源。同时我国成功发射首颗X射线空间天文卫星“慧眼”,填补了我国空间X射线探测卫星的空白,实现我国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。卫星的4个主载荷观测能段基本覆盖整个X射线谱段,具有全天球扫描、目标定点凝视、小天区深度扫描和伽玛暴探测等多种探测模式。

另一方面,如果暗能量不是真空能而是某种未知的场所携带的能量,宇宙的结局则更为开放。这个场有多种不同的可能演化方式,分别对应着不同的宇宙命运。宇宙可能会最终停止膨胀,反而开始收缩,最终在“大挤压”中将肇始万物的大爆炸重演一遍。宇宙还可能进入“大撕裂”状态,上至星系团下到原子和原子核,宇宙中的一切复杂结构都屈从于强大的暗能量而被撕扯得四分五裂。当然,上面提到的持续加速进入冷寂也是暗能量场的可能结局之一。

“天眼”:全球最大的球面射电望远镜

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中国在贵州建造了地球上最大的球面射电望远镜之一,其直径超过500米。这个球面射电望远镜被当地人称为“天眼”。2017年10月,在刚刚启用一年之际,“天眼”发现了两颗新脉冲星,距离地球分别约4100光年和1.6万光年,是中国射电望远镜首次发现脉冲星。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位。

如果最终我们发现,广大相对论不够准确,自己需要的是一个替代性引力理论,那根据理论细节的不同,宇宙的结局也会千变万化。

betway必威官网手机版,郭守敬望远镜:光谱获取率最高

多重宇宙

郭守敬望远镜(LAMOST,大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)是一架横卧南北方向的特殊的中星仪式反射施密特望远镜。其有效通光口径为4米,视场角直径为5度。在5度视场、直径为1.75米的焦面上放置4000根光纤,可同时获得4000个天体的光谱,使其成为世界上光谱获取率最高的望远镜。

尽管宇宙学常数假设最受青睐,但其极弱的强度仍是需要面对的问题。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)早在加速膨胀被发现之前就意识到宇宙学常数存在这个问题,他提出了一个新的思路,即宇宙学常数并非是由基本物理定律决定的独一无二的量,而是一个随机变量,在一个巨大的宇宙系统——多重宇宙中,每个宇宙都具有不同的宇宙常数。一些宇宙可能具有更大的宇宙常数,但是相应地就会有更大的加速斥力,导致物质在这样的宇宙中无法凝聚形成星系、行星和生命。

LAMOST的建成,突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得难题,成为目前国际上口径最大的大视场望远镜,是我国光学望远镜研制的又一里程碑,显著提高了我国在大视场多目标光纤光谱观测设备领域的自主创新能力。

由此温伯格推断,因为我们存在,因此我们必然会发现自己身处一个得以允许生命出现的宇宙,也就是一个宇宙学常数碰巧非常微小的宇宙。这个想法后来得到了塔夫斯大学的亚历山大·维连金(Alexander Vilenkin)、剑桥大学的马丁·里斯(Martin Rees)和本文作者之一利维奥的进一步改进,被称为人择推理(anthropic reasoning)。

西藏羊八井望远镜:北半球台址最高

即便不考虑暗能量问题,也有合适的理由得出多重宇宙理论。被广泛接受的宇宙暴胀理论认为,宇宙在诞生后第一秒之内曾急剧膨胀,维连金和斯坦福大学的安德烈·林德(Andrei Linde)证明,这种暴胀一旦开始,就必定会一次又一次地重复发生,从而产生数量无限的宇宙泡泡,或者称为“口袋宇宙”,这些宇宙相互之间完全隔离,性质可能差异很大。

经过几年来中德科技人员的共同努力,成功将位于瑞士阿尔卑斯山海拔3100米Gornergrat的3米口径KOSMA亚毫米波望远镜技术拆移至中国西藏当雄县海拔4300米的羊八井,并更名为中德亚毫米波望远镜,同时该望远镜归属于国家天文台及中国天文界。

从弦论出发,似乎也能得出多重宇宙。作为可以统一所有自然力的候选理论之一,弦论有不同版本,拉斐尔·布索(Raphael Bousso)和约瑟夫·波尔金斯基(Joseph Polchinski)基于其中一个名为M理论的版本进行的计算指出,应该有多达10500种不同的时空或者说宇宙,每个都具有不同的基本常数,甚至不同数量的空间维度。

这是中国第一架可用于常规天文观测的亚毫米波望远镜,也是目前北半球台址海拔最高的亚毫米波望远镜,建成后的羊八井天文观测站也是中国科学院国家天文台建于西藏的第一个专业天文台站。

但有些物理学家一提多宇宙就血压上升,因为这个想法看上去既无法接受又难以检验,而且有可能标志着我们熟知的经典科学方法的终结。传统上,经典科学方法要求假说必须能被新的实验或观测直接检验。不过,多重宇宙概念的确做出了一些可供检验的预测,特别是某些多重宇宙模型预测时空的形状会有轻微的弯曲,这也许能被观测到。还有一种可能,尽管希望不大,宇宙微波背景辐射中也许会记录下我们的宇宙和另一个宇宙碰撞时产生的涟漪。

2)美国

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费米伽玛射线空间望远镜

因为空间中的暗能量比宇宙中任何其他成分的密度都要大,它对宇宙有着决定性影响,操控者宇宙的命运。尽管如此,但暗能量并非总是占据上风,宇宙的其他成分:辐射和物质(包括常规物质以及看不见的暗物质)在宇宙还比较小的早期阶段也都曾占据过统治位置,当时它们密度比现在更大。随着宇宙不断膨胀,物质和辐射逐渐分散,暗能量后来居上,如果暗能量密度继续增加,它会越来越强大最终撕裂空间中的一切结构。

费米伽玛射线空间望远镜发射于2008年,运行于近地低空轨道,隶属于美国宇航局、美国能源部和法国、德国、意大利、日本及瑞典等国。这台世界上最强大的望远镜通过高能伽马射线观察宇宙,最初被称作“伽马射线广域空间望远镜”(Gamma-ray Large Area Space Telescope),但是当这台望远镜建成后开始正常运行时,人们又根据意大利科学家恩里科·费米的名字给它重新命名。

寻找答案

费米伽玛射线空间望远镜能够探测到宇宙中最强大的射线。超大质量黑洞、中子星碰撞以及超新星爆炸都可能发出超强能量辐射。因此,费米伽玛射线空间望远镜的主要任务就是研究黑洞和暗物质。

根据目前我们的认识,揭示暗能量本质的最佳途径是测量它的压强和密度之比,我们称这个比值为状态方程参数,用w来表示。如果暗能量是真空能,那么w将是一个等于-1的常数。如果暗能量来自某个随时间变化的场,我们探测到w的数值就应该偏离-1,而且随着宇宙演化不断变动。如果观测到的加速膨胀表明,爱因斯坦的引力理论在极大的尺度下需要修正,我们应该能观察到w在不同尺度下有着不同的数值。

开普勒太空望远镜:退役前发现了2662颗系外行星

betway必威官网手机版它决定了宇宙的最终命运,美宇航局暗能量探测面临成本危机。天文学家已经设想出一些非常巧妙的间接方法,用来测量暗能量的压强和密度。作为一种具有排斥作用的引力,暗能量或修正后的引力会抵消常规引力的吸引作用(后者将宇宙中的物质聚集到一起),从而阻碍诸如星系团这类大尺度结构的形成。因此,通过研究星系团随时间的变化,科学家能测量不同历史时期的暗能量强度。星系团会使背景星系的光线发生偏折,产生所谓引力透镜现象,通过观测光线偏折程度的大小,我们可以推测出星系团的质量,而通过观测不同距离处星系团的引力透镜效应,我们就能测量出宇宙不同时期大质量星系团的分布(因为光速有限,天文观测就相当于在回溯时间,距离越远时间越早)。

2018年10月30日,NASA官方宣布,开普勒望远镜因燃料耗尽而无法继续开展作业,它会在当前所在轨道停止工作,9年的探索工作画上句号。NASA说,开普勒望远镜发现了2662颗系外行星,其中许多行星可能孕育着生命。其继任者是2018年4月发射升空的“凌日系外行星勘测卫星”。

我们还可以通过测量宇宙膨胀速度的变化来测量暗能量。通过观测不同距离处的天体并测量其红移(光的波长随空间膨胀而增大的程度),就可以知道自光从该天体出发以来宇宙膨胀了多少。实际上发现宇宙加速膨胀的两个小组用的正是这个方法,他们测量的是不同的Ia超新星的红移(这类超新星的亮度与其距离保持着非常严格的关系)。该技术还有一个“变种”,通过测量重子声学振荡来追踪宇宙的膨胀历史,重子声学振荡是空间中星系密度的波动幅度,是另一个良好的距离指示物。

NASA“宽视场红外巡天望远镜”

到目前为止,大多数测量得出的w都与-1相符,观测误差不超过10%,因此是支持宇宙学常数的。一个由里斯带领的团队使用哈勃空间望远镜,利用超新星方法探测了100亿年之前的暗能量,没有发现暗能量会随时间变化的迹象。

美国国家航空航天局正在规划的“宽视场红外巡天望远镜”有望为人类提供有史以来最大、最深层、最清晰的宇宙图像,发现超过1000颗行星,进一步揭示宇宙的奥秘。

尽管如此,过去几年间一些偏离了宇宙学常数预测的线索仍值得注意。例如,结合普朗克卫星对宇宙微波背景辐射(它能告诉我们宇宙总的质量和能量)的测量和引力透镜研究的结果来看,w的值似乎比-1更小。第一台全景巡天望远镜和快速反应系统(Pan-STARRS)观测了超过300个超新星,来追踪宇宙膨胀,其结果似乎也表明w要小于-1。而针对名为类星体的遥远亮星系的重子声学振荡测量显示,暗能量的密度可能是随时间增加的。最后,通过局域测量得到的当前宇宙膨胀速度和根据CMB得出的原初膨胀速度存在微小的矛盾,可能也表明真实的暗能量不符合宇宙学常数的预测。不过虽然这些结果引人遐思,但都还不够令人信服,未来更多的观测数据可能会令这些差异变得更有说服力,也有可能证明它们只是系统误差而已。

WFIRST由NASA和诸多天文学家设计,旨在发现新行星并研究暗能量(可能是破解宇宙膨胀之谜的关键)。WFIRST项目于2018年5月开始规划,预算约32亿美元,俄亥俄州立大学参与了该项目的启动、研究设计等工作。

眼下科学家正在努力工作,有望在未来十年内将暗能量的测量精度提高100倍。暗能量巡天(Dark Energy Survey,DES)项目已经在2013年启动,大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope ,LSST)预计将于2021年投入运行,这些新项目将搜集更多有关宇宙中大尺度结构和宇宙膨胀历史的信息。美国航空航天局的广视场红外巡天望远镜及天体物理专用设备(WFIRST-AFTA)预计于21世纪20年代中期发射,作为一台2.4米口径的空间望远镜,它有望观测到遥远的超新星和重子声学振荡,以及引力透镜现象。欧洲空间局 的欧几里得空间计划 (Euclid space mission)也准备在2020年发射,目标同样包括引力透镜和重子声学振荡,同时它还将通过红移测量星系距离,以确定宇宙中星系团的三维分布。

据NASA Exoplanet档案显示,自天文学家开始搜索以来,已发现了3,917颗确认的系外行星。新的研究估计,WFIRST可以识别出太阳系以外的1400颗行星,包括大约100颗质量与地球相似或更低的行星。

最后,我们还可以通过太阳系内的实验来检验那些引力修正理论。方法之一是以极高的精度测量地月距离(利用阿波罗计划放置在月球表面的反射镜来反射从地球发射的激光束),从中探测与广义相对论预言的微小差异。此外,还有一些别出心裁的室内实验也将寻找现有引力理论中的细微矛盾。

开普勒发现的行星与其恒星间的距离小于地日间距离;而WFIRST则相反。WFIRST将借助引力微透镜效应来寻找新行星,微透镜效应与爱因斯坦的相对论有关,它使望远镜能在距地球数千光年远(比其他行星搜寻技术远得多)的地方找到绕恒星旋转的行星。但该效应仅在行星或恒星的引力使另一颗恒星的光线弯曲时才起作用,所以任何给定行星或恒星的微透镜效果每几百万年才能看到几个小时。有鉴于此,WFIRST将对银河系中心的1亿颗恒星进行长期连续监测。

未来几年是研究暗能量的关键时刻。我们有望在宇宙加速膨胀问题上获得真正的进展,而谜底将揭示宇宙的未来。

哈勃望远镜

本文转载于《环球科学》2016年4月刊

哈勃太空望远镜1990年进入近地轨道,之后不断向地球传回惊人的天文发现。

本文作者:

美国航天局大型轨道天文台计划包括的4颗大型空间望远镜:哈勃望远镜、康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜,分别工作在可见光和紫外线、伽玛射线及硬X射线、软X射线、红外线、这些不同的波段,取得了一定的成果。

亚当·里斯是约翰·霍普金斯大学和空间望远镜科学实验室的天体物理学家。他对遥远超新星的研究揭示出宇宙正在加速膨胀,这个发现令他赢得了2011年的诺贝尔物理学奖。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

马里奥·利维奥,天体物理学家、科学畅销书作者,在负责运行管理哈勃望远镜的空间望远镜科学实验室工作多年。

韦伯太空望远镜是哈勃望远镜的“接班人”。实际上是由美国国家航天局、欧洲空间局与加拿大宇航局联手打造的。望远镜与2018年升空。哈勃的工作频率以可见光为主,延伸到近红外和近紫外,而JWST则集中于红外线波段,它用更大的镜片聚光,见图15-3a,以拍摄到太空远处的照片,希望能比哈勃极深空再深入下去。韦伯望远镜比较特别的是它的轨道。它不是像哈勃那样绕着地球转圈,而是位于太阳-地球系统的“拉格朗日2”点上。

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3)智利

《环球科学》2019年6月刊现已上市

ALMA望远镜:史上造价最昂贵

位于智利北部阿塔卡马沙漠,能看清500公里外的一枚硬币。

“ALMA”的全称是“阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵”,它的建设工程始于2002年,是一个以欧洲、北美和日本等国家为主的大型国际合作项目。

整个天线阵有总计66面高精度天线,其观测在毫米/亚毫米波段,比可见光长了近千倍。天文学家由此能研究宇宙中最寒冷的天体——比如孕育恒星、行星的稠密的尘埃气体云,以及极早期宇宙中的天体以及探寻宇宙中是否存在能进化成生命的物质等。这是人类历史上至今为止造价最昂贵的地基天文望远镜设备。

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