據雜志網站報道《自然》12日，未來五年他們将進行迄今為止最大規模的星系光譜巡天——記錄3500萬個星系的光譜以及星系膨脹的曆史。星系被重建。宇宙以闡明暗能量的起源。自然。當我們想到暗能量時，我們會想到神秘和距離。暗能量到底是什麼？
出品：《SELF格緻論壇》公衆号（ID：SELFtalks）
以下内容為宇宙暗物質與暗能量研究組弗拉基米爾·首席科學家和中國科學院國家天文台陳學雷的演講實錄：
我想你可能聽說過目前的宇宙學理論。宇宙是如何開始的？我聽一些朋友說，宇宙是從大爆炸開始的。這是上世紀一些科學家家提出的大膽猜想，這一理論後來被觀察所證明。
宇宙會随着大爆炸而終結嗎？未來是什麼樣子？事實上，提出大爆炸理論的科學家也曾做出過一些這樣的預測。他們假設宇宙中充滿了各種物質，然後利用愛因斯坦的廣義相對論來預測宇宙的命運。
這個預測的結果就像上圖右圖一樣。你可以看到左邊的照片展示了大爆炸的過程，右邊的照片展示了對未來的預測。
大爆炸後，宇宙膨脹。由于物質的引力，膨脹會慢慢減小。減速後會發生什麼？這取決于這裡的材料量和初始膨脹率之間的關系。
如果一開始膨脹速度沒有那麼大，但是物質很多，那麼結果就是物質膨脹到一定程度後，膨脹就會慢慢減慢，最終減慢到一定程度。 ，擴張可能會停止。然後它又開始收縮。收縮到一定程度後，最終進入我們稱之為“大崩潰”的狀态。大擠壓之後的宇宙會是什麼樣子？我們不知道，因為到那時所有的能量和密度都将太高，我們目前的理論無法描述。
如果宇宙一開始膨脹得更快，并且沒有那麼多物質，這也會減慢宇宙的膨脹速度，但減慢可能不足以阻止它，是以宇宙将繼續膨脹。這是這張照片右邊的兩張照片。它在不斷擴張，但放緩可能不那麼明顯。
這是過去也是大家對宇宙未來的認識。是這樣的嗎？以下哪種情況是正确的？
20世紀80年代，一些科學家主義者想要解決這個問題。事實上，在他們之前也有一些科學家主義者想要解決這個問題，但他們都面臨着一個很大的困難：我們如何判斷這是哪個問題？這種情況怎麼辦？這種方法的目的是測量宇宙在不同時間的膨脹率。
左圖顯示了日常生活中常用的測量速度的方法。宇宙學中的情況略有不同，但原理是相同的：我們測量宇宙在不同時間膨脹的程度。快速并觀察速度變化。
宇宙學的一個主要問題當然是我們不知道如何測量這個距離。事實上，自古以來，确定天體的距離一直是一件非常困難的事情。例如，大陸有一個著名的寓言。據說，孔子遇到兩個孩子，他們在争論：太陽是早上離我們近，還是下午離我們近？兩個孩子都提出了一些很好的論點，孔子拿不定主意。這就是所謂的“兩個孩子争論太陽”的故事。
事實上，測量距離我們比較近的天體的距離并不是那麼容易，比如太陽。距離越遠的天體距離測量當然越困難。
但科學家還是提出了一些方法。一種方法是使用所謂的“标準蠟燭”來測量距離。什麼是标準燭光？為了研究光學，19世紀的人們發明了一種相對标準的蠟燭。這些蠟燭點燃後，燈光的亮度都是一樣的。我們把它放在不同的距離，我們可以看到蠟燭出現的距離越遠，它看起來就越暗。這就是标準燭光的功能。也就是說，我們知道它的絕對光度，并且可以測量它的亮度。通過兩者的比較，我們就可以知道天體的距離有多遠。
問題是：我們有這樣的蠟燭嗎？科學家發現了這樣一顆“蠟燭”，即Ia型超新星。什麼是超新星？我們在天空中看到的星星有些是暗的，有些是亮的。大多數明亮的恒星都是距離我們太陽系相對較近的恒星。有時這些星星會突然爆炸；爆炸經常發生是因為它們已經達到了使用壽命。 ，要麼是由于核心的塌陷，要麼是由于其他物質的吸積。
1054年的宋朝時期，大家突然發現白天出現了一顆星星。白天非常明亮，很容易看到。這顆恒星就是著名的超新星1054。它爆炸留下的痕迹在天空中仍然清晰可見，即所謂的蟹狀星雲。當超新星爆炸達到最大亮度時，可以達到太陽亮度的100億倍。如果你看上圖的右側，你會發現超新星在星系中爆炸後，它非常非常明亮。盡管它如此明亮，但從宇宙的距離仍然很難看到它。
我們必須在很遠的地方找到這樣的超新星。上圖顯示了天文學家如何尋找此類超新星。衆人發現，天空的星辰之中，或許有一處稍微明亮一些，而那個光點，竟然是一顆超新星。
當然，超新星有不同類型。有一種超新星稱為 Ia 型超新星。對亮度進行一些校正後，它可以用作标準蠟燭，我們可以用它來确定距離。
二十年前，世界上有兩個互相競争的科學家團隊。兩個團隊有了驚人的發現。最初，他們想測量宇宙是否會繼續膨脹，或者是否會在某種程度上減慢速度。變成了收縮，他們發現兩者都不是真的。他們發現了什麼？
他們發現宇宙正在加速膨脹，而且膨脹得越來越快。這一成果轟動了全世界，貢獻最大的科學家也獲得了諾貝爾實體學獎。這就提出了一個問題：為什麼宇宙膨脹得越來越快？大爆炸的支援者錯了嗎？科學家門進一步提出了多種理論，最終得出宇宙可能含有大量暗能量的結論。
構成宇宙的普通物質現在隻占我們宇宙的大約5%。剩下的物質95%以上很可能是我們不知道的物質，其中20%以上是所謂的暗物質。雖然暗物質不發光，我們也看不到它，但根據引力，我們可以得出結論，暗物質大量存在于星系或星系團中，這些星系或星系團占宇宙的20%以上。它的屬性并不難了解。畢竟，它産生萬有引力。
而這種暗能量具有非常奇怪的特性。它的作用是加速宇宙的膨脹，這是一種萬有斥力，是以這是一個非常神奇的東西。由于它的魔力，我們稱之為“暗能量”，但它到底是什麼？我們實際上并不知道這一點。
随着暗能量的出現，宇宙的命運将發生巨大的改變。也就是說，它不僅在擴張，而且擴張得越來越快。在這樣的宇宙中會發生什麼？上圖顯示了一種可能性，即我們目前星系周圍還有許多其他星系。但如果宇宙繼續這樣膨脹，并且膨脹繼續加速，其他星系就會越來越少，因為它們都被我們包圍了。他們都向遠方擴充。超過 900 億年之後，我們很可能會被單獨留在這裡，周圍沒有星系。
我們的宇宙可能會以永恒的孤獨結束并永遠留在這裡，但這隻是一種可能性。由于我們不知道暗能量是什麼，它甚至還有其他可能性。
暗能量可能會越來越多。如果它們越來越多，不僅會膨脹遠處的其他星系，最終我們自己的星系也可能會被拉開，甚至地球也會被拉開，我們的原子也會被拉開。一種可能性是被稱為“大撕裂”。在這種情況下，宇宙會是什麼樣子？再說一遍，我們不知道。
另一種可能性是，這種暗能量現在可能正在推動宇宙加速膨脹，但也許在未來的某一天它會讓宇宙收縮。這也是一種可能。是以這些可能性是存在的。隻有解開宇宙暗能量之謎，才能回答宇宙的命運問題。
但我們如何解開這個謎團呢？
首先，我們需要對其進行非常準确的測量，并可供從事理論研究的人員進行分析。事實上，這個理論的研究者有很多，而我是一個純粹的理論人。目前關于暗能量的理論可能有數百種。這些理論都有一定的理論前提，但證據不足。
是以我們需要觀察來解決這個問題。但超新星觀測就足夠了嗎？其實很多科學家自己也對此提出質疑，即這顆超新星是一根标準蠟燭，爆炸時亮度相同，或者不具有相同亮度但經過校正後可以認為是相同亮度。但或許我們對超新星的認識并不完整，可能存在一些奇怪的超新星導緻我們對它們的誤解。這可能嗎？有這樣的可能性。
我們的方法是用盡可能多的方式來衡量它。一種方法是利用大爆炸期間産生的聲波振蕩來測量它。為什麼可以用聲波振蕩來測量這個東西呢？
看上面照片左側的池塘。下雨天，當雨滴落下時，你會發現上面有許多圓形的波紋。很明顯，漣漪是雨滴落在水面上引起的。如果你仔細觀察，它們有大大小小的漣漪。為什麼有大有小？
因為雨滴落下的時間不同，但如果把一桶水倒在湖上，你會發現所有的水同時落到水面上，産生的波浪也是一樣的。在這種情況下，所有的水滴同時落在湖面上。戒指尺寸均相同。如果相同尺寸的戒指混在一起，我們用肉眼可能很難區分它們。如果我們可以進行數學分析，我們仍然可以看到這些環膨脹了多少。利用這種方法，我們提供了一種新的标尺，即宇宙距離的“标準标尺”來測量宇宙。這是另一種測量距離的方法，可用于測試甚至更準确地測量暗能量是什麼。 。
您可能想知道：我們宇宙中的“水”是什麼？在這種情況下，水就是星系的分布。上圖中，我們就相當于站在中央，向遠處看去。宇宙中有大量的星系。圖像中的每個點，無論是橙色點還是綠色點，實際上都代表了一個星系。
如果你仔細觀察這些星系的分布，你會發現它實際上是不規則的。但它似乎隐含着某種規則，那就是它看上去像是一些纖維結構，但我們卻看不出有什麼特别之處。如果我們将其分解為不同的波長，我們就會得到上面的圖像。您會注意到，總體而言，在相對較大的比例（上圖左側）上，它相對較高；在小範圍内（上圖右側），您會發現它再次減少。
在降低的同時，它顯示出一些振蕩的迹象。如果我去掉整個底部，你可以看到中間的小插圖中有振蕩的痕迹。這種振蕩的尺度告訴我們宇宙的不同距離尺度。通過使用它，我們可以了解宇宙的距離以及它是如何膨脹的。
在使用該方法獲得的上圖中，灰線代表對超新星進行的原始觀測，藍線代表使用該方法測量的觀測結果。您會看到藍線全部位于灰色之上。這是幾年前的觀察結果，資料在不斷變化。但我們會發現超新星之間的距離和用這種聲振蕩方法測量的距離并不完全一緻。這種不完全一緻性僅僅是由錯誤造成的，還是有更深層次的含義？我們還不明白，需要更精确的觀察。
在國際上，暗能量被視為一個非常重要的科學問題。有很多實驗可以測量這一點，包括未來發射的歐幾裡得衛星和WFIRST衛星等衛星，以及一些用于觀測的大型地面望遠鏡的更新。 ，但大多數這些觀測都發生在光學波段。這也存在一個問題。正如剛才提到的，我們看不到暗能量，這些觀察是基于許多假設。然後光學觀測看到相同的恒星。還有一些我們不明白的地方嗎？效果是否欺騙了我們？
無線電觀測或射電觀測提供了不同的視角。上圖顯示了光學觀測到的星系（左）和無線電波長觀測到的同一星系（右）。在無線電頻段或無線電頻段我們能看到什麼？事實上，氫是這個宇宙中最豐富的元素——不是在暗物質和暗能量中——而是在普通物質中，因為氫是在大爆炸期間形成的。
這種氫元素會産生波長為21厘米的輻射。衆所周知，21厘米波長實際上是微波的一種。我們可以檢測到這種類型的微波輻射。如果我們測量這種輻射的強度，我們就會看到中性氫或氫原子在這個星系中的分布情況。這顯示了星系中的氫原子，是以我們希望提出一種新方法，即微波或無線電方法來進行此類觀測。
當然，這種觀察也是非常困難的。左圖為美國阿雷西博望遠鏡。開口300米。近幾十年來，它一直是世界第一的射電望遠鏡。在他觀察到的右邊照片中，可以看到有很多藍色的點，這是光學觀測，紅色的點是射電觀測。你會發現紅點少了很多，距離也不是很遠。事實上，這意味着它的靈敏度仍然比光學差。
我們能用更好的望遠鏡看得更遠嗎？
衆所周知，大陸已經建成了世界上最大的單天線望遠鏡：FAST。 FAST設計師南仁東先生去年去世。 2006年，我回到天文台不久，南仁東先生就提出發展FAST。他還建議我考慮使用FAST進行宇宙學研究。我發現雖然FAST的靈敏度有所提高，但觀看距離仍然受到限制。而且盡管FAST已經很大了，但當你想看銀河系時，你仍然看不清它。看不清楚的話有影響嗎？
後來我們仔細想了一下，發現問題并不大。該圖像頂部圖像中的每個點代表一個星系。如果我們觀察整個星系，而我們的分辨率不夠，我們就看不到單個星系。它們全部混合在一起形成下圖。
雖然看不到單個星系，但我可以看到它們作為一個整體是如何分布的，是以使用這種方法可以進一步提高靈敏度，看到更遙遠的宇宙。而且我們進一步認為，除了FAST本身可以進行這方面的研究之外，我們還可以考慮開發專門的望遠鏡，或許能夠以更低的成本實作更好的探測。
這樣，我們就提出了“天籁計劃”。當時國外很多人提出了同樣的想法，是以我們就成立了“天籁聯盟”。 “天籁”一詞出自莊子，在《齊物論》中提到“天籁、地聲、人聲”。 “地聲”就像風吹過山谷的聲音。 “人來”聽起來像人演奏樂器的聲音。什麼是大自然的聲音？我了解“天籁之音”是一種宇宙韻律。我們隻是想探測大爆炸的聲音，然後用它來了解暗能量是什麼。
提出這個想法後，我從一個純粹做理論研究的科學家變成了一個既做理論又做實驗的人。但我一個人無法完成這個實驗。許多同僚和同學在這項工作中為我們提供了幫助。當然，我們面臨的挑戰是巨大的。事實上，迄今為止，世界各地已經在這個宇宙距離上用中性氫進行了許多實驗，但沒有人能夠實作這一點。為什麼？
因為如果你看宇宙遠處的中性氫，就像左圖末尾的中性氫産生的信号一樣，它的前面有強烈的亮光。這種強烈、明亮的光來自銀河系，這也是銀河系的前景，如右圖所示。
來自銀河系的前景輻射比 21 厘米信号強約 100,000 倍。是以，如果我們想看到這個 21 厘米信号，就像我們想在白天看到星星一樣。星星就在那裡，但它們被大氣散射的陽光淹沒了。我們必須用非常精确的手段來縮小這個東西，才能看到這個信号。那麼我們可以減少它嗎？
幸運的是，大自然仍然給了我們機會。因為銀河系産生的同步加速器輻射，或者說前景輻射，在光譜上是非常平滑的，看起來非常平滑，是一條直線，或者是一條稍微彎曲的、光滑的曲線。如果我們減去這個東西，我們就會顯示氫原子的分布，這會導緻 21 cm 輻射強度的變化。原則上這是可能的，但它需要非常先進的儀器和複雜的資料處理方法。
我們自 2012 年獲得項目支援以來就開始了這項研究。我和同僚在興隆和内蒙古架設了小型天線，進行這方面的實驗。我們還需要選擇最佳位置，因為天文産生的無線電信号非常微弱，而地面上的雷達、電視和手機會産生很強的幹擾信号，我們應該避開這些幹擾信号。
如何才能找到幹擾信号最少的地方呢？
人口越稀疏，産生的信号顯然就越少。附近最好有一些山來擋住。但是如果你去一個特别無人的地方或者海島，還有一個問題：你要照顧電力、通訊、道路等等，是以這是一個綜合性的問題。
我們選擇了遍布全國的大量地點，走訪了一百多個地點。從站點分布可以看出，内蒙古地區有很多。我們想先在内蒙古找到，因為内蒙古離北京很近，更友善我們做實驗。但遺憾的是，我們後來發現，内蒙古雖然人比較少，但地勢太平坦，草原一望無際，而且可以發射無線電波，是以幹擾還是很嚴重。
這張照片是圍繞 FAST 望遠鏡拍攝的。我們還做了地點選擇。大家可以看到，綠色的都是我們通過遙感地圖找到的小而平坦的土地。我們還去了青海、西藏、新疆很多地方。
去這些地方旅行對我們來說非常困難，但也很有趣。我們看到了很多平時不容易看到的東西。最終，我們放棄了在貴州平塘建設FAST，因為這裡的山很陡。我們可以帶着裝備走進去，裡面也是平地，但是汽車開過山比較困難，需要特别費力才能把山炸掉修路。這對于FAST這樣的大型望遠鏡來說還可以，但是對于我們一開始做的小實驗來說，成本太高，周期太長，是以我們放棄了。
最後我們去了新疆，參觀了新疆的幾十個地方。這是我們找到的最後一個地方，新疆的巴裡坤。它位于新疆東部。這是絲綢之路上的一座小城市。有機會的話可以去看看。它非常美麗。城市旁邊是雪山，還有漢唐時期遺留下來的“烽火台”。
這個地方的條件很艱苦，但優點是人口比較稀少。我們選擇的最後一個車站距離我剛才提到的小鎮還有100英裡。人很少，偶爾會遇到牧羊人、駱駝和羊。
我們在現場施工，施工過程中很多同僚、同學也付出了艱辛的努力。正如您在照片中看到的，我們正在安裝天線。如果冬天下雪，這項工作就很難幹了。當時，我們的一些同僚步行了幾公裡來到這裡進行維護和測試。右下那個看起來像農民工的人是我們組的吳鳳泉副教授。他寫了很多文章。此外，他還是一名全能選手。他可以開叉車，修理叉車，還可以為我們蓋大樓。各種事情。
當時進去維修很困難，是以他就帶了一些馕。夏天，我們的地裡長滿了野蔥。他取出幾根青蔥，用水洗淨，和馕餅一起吃。我很高興我們的同僚和同學沒有擔心自己的努力，而是共同努力建設了這個。
這就是我們現在建造的望遠鏡陣列：天籁陣列。前面的圓形陣列稱為碟形陣列，後面的稱為柱形陣列。對于這兩種陣法，你可能會想：為什麼會有兩種呢？現在甚至存在一些争論：哪一個更有好處？我們通過比較來學習。
這是柱狀陣列的另一張照片。
這是我們的車站大樓。冬天那裡很冷。
去年我們進行了第一次光觀察。正如你所看到的，右側是我們使用第一次光觀測建立的天空圖，左側對應于之前由其他望遠鏡測量的天空圖。當然，我們現在隻是在做初步測試，是以這仍然是一個不敏感的結果。
您會注意到，左側天空圖上的一些内容也顯示在右側，但右側的一些内容卻沒有出現在左側。其中一些是由太陽等移動源引起的，另一些是初步結果中的僞影，可以通過進一步的數學處理來消除。我們的下一步是研究如何處理它并獲得更好的圖像。
如果我們最終成功，我們将擴充該數組以執行完整的觀察。如果這個成功的話，我們将得到對暗能量模型非常好的限制，甚至有可能檢測到暗能量是否随着宇宙的膨脹而變化。
為什麼要做天籁實驗？事實上，這個實驗是有争議的。很多人可能不完全同意我的立場，但是我為什麼要做這個實驗呢？
可以發表更多文章嗎？其實不是，因為我做理論的時候隻要動動腦子就可以很快寫出一篇文章，但是做實驗這實際上要花很多時間。是不是更容易得到結果？當然不是。事實上，這項工作在世界範圍内還沒有取得成功，大家還在發現之中。成功有保障嗎？我們不能保證這一點，因為一些21厘米的實驗已經進行了十多年，但尚未公布結果。我們現在正在嘗試，不知道什麼時候能成功。
但我為什麼要這麼做呢？因為我很幸運，它給了我探索宇宙、發現新事物的機會。
兩年前，人們第一次看到引力波，轟動全球。但你知道嗎，引力波被提出後，經曆了近一百年的嘗試？大家從20世紀60年代開始就一直在做實驗，到目前為止，經過幾十年、幾代人的嘗試，這樣的檢測終于實作了。
其實我原本以為我們的實驗很有可能在引力波之前就成功了，但是現在引力波已經成功了，我們還沒有成功，但是我相信我們遲早也會成功的！
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