首页 > 科技快讯 > 给宇宙绘制一幅地图，这可能吗？

给宇宙绘制一幅地图，这可能吗？

晰数塔互联网快讯
2023-03-23 21:12

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：凯伦·马斯特斯，翻译：李海宁，编辑：缓缓、怀尘，原文标题：《绘制宇宙地图》，题图来自：《蚁人与黄蜂女：量子狂潮》

专业天文学中使用最多的望远镜既不是最大的也不是最新的，甚至都不在太空中，而是位于新墨西哥州一座山头上的一架普通望远镜。这架位于阿帕奇天文台的斯隆基金会2.5米望远镜提供的图像和光谱可谓无处不在，以至于许多天文学家甚至都没有考虑过这些数据来自哪里。但这台看似不起眼的望远镜和（到目前为止）五期斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）项目已经彻底改变了天文学家的工作方式。

宇宙切片 | 这幅图中的每个彩色像素都是一个60亿光年距离内的星系，由重子振荡光谱巡天（BOSS）绘制。颜色表示每个星系的距离，从近（黄色）到远（紫色）。

SDSS背后的最初想法是绘制一幅巨大的宇宙地图。为了做到这一点，项目团队合作开发了一台巨大的数码相机，它保持了世界上最大相机的记录长达十多年。在百万像素的智能手机成为我们的便携相机之前，这台1.26亿像素的成像仪从1998年第一次拍摄星空到2009年一直在扫描夜空，将新墨西哥州可见天空的三分之一区域的详细视图拼接在一起。与此同时，研究人员开发了计算机代码来处理这些图像，校准图像的颜色，通过扫描它们来识别星系和恒星，并挑选一些来测量光谱。总的来说，SDSS的第一次尝试编目了超过10亿个天体。

传奇相机 | 这台相机收集了SDSS第一个十年的所有成像数据。当天空在望远镜的视野中以大圆圈移动时，相机读取CCD，因此物体的图像以与CCD读取相同的速度沿着CCD的列移动。

2009年成像相机退役后，SDSS项目重新集中到收集天体光谱上，开展了一系列以首字母缩写为标题的巡天项目。这些SDSS巡天的每一次观测都同时测量了数百条光谱。解码这些彩虹光包含的细节使我们能够跟踪星系因宇宙膨胀而远离我们的速度，测量这些星系中恒星的类型，识别超大质量黑洞的位置和大小，并更多地了解我们自己星系的恒星及其行星。

过去二十多年SDSS完成了一系列不同的巡天项目，现在更是在南半球安装了第二台设备，而SDSS也无疑成为世界上最成功和最具影响力的天文项目之一。

天文学成为数据科学

专业天文学家跨越国界开展合作、对夜空开展大规模巡天，这在今天的我们看来似乎再正常不过了。我们习惯于收集和存储图像和测量数据，我们希望能够将这些数据提供给任何拥有计算机的人。但在SDSS取得巨大成功之前，许多天文学家都不相信这种模式是可行的。天文学家习惯于将自己的数据保密——这当然也很合理，因为建造专业望远镜并获得观测时间既需要投入大量的经费又需要消耗巨大的精力。

事实上，当团队成员在20世纪90年代初首次讨论获取数十万个天体光谱的计划时，其他天文学家都认为他们是在开玩笑。有远见的人意识到，未来的科研成就需要通过天文学家互相合作而不是各自孤立来实现，通过合作收集和处理来自望远镜的数据，以及（关键的是）通过发布这些数据给整个天文界使用，天文学家可以绘制更广阔的宇宙地图，而不是以个人的身份开展工作。

要使“开放和可访问的数据”成为现实需要付出巨大的努力。参与该项目的科学家承诺定期发布数据，通常是在望远镜获得观测数据后一年左右。这个时间段可以让团队有时间进行必要的处理，检查和重复检查错误，编写支持文档，并在向其他天文学家发布数据之前通过早期访问权限获益。

望远镜 | 落日余晖洒在新墨西哥州阿帕奇天文台的SDSS 2.5米望远镜上。

绘制宇宙地图

SDSS给我们留下最深刻的印象可能是它获取的遥远宇宙影像。如果你去过天文馆，你很可能曾与其中之一擦肩而过。这些视频看起来就像电影中想象的场景：跳跃到多维空间，飞跃无尽的星系。最终，这些影像缩小进而展示了SDSS所扫描的一切：一幅宇宙的蝴蝶形切片。

在SDSS的前四期，测量宇宙学红移是主要目标。天文学家首先计算出，由于宇宙的膨胀，遥远的星系以怎样的速度远离我们；这种退行速度与星系到我们之间的距离成正比。进而我们可以借助这些距离来绘制三维星系分布图像。

第一批大尺度结构图展示了星系勾勒出的近邻宇宙中的气泡和纤维结构。其他规模较小的巡天已经发现了宇宙网存在的证据，但SDSS实现了尺度上的巨大飞跃，使得我们对宇宙网的存在不再有任何怀疑。SDSS的后期可观测到红移为1.1的星系（相当于沿演化时间回溯了82亿年），这使第一次观测结果相形见绌。对于由超大质量黑洞（即类星体）提供能量的发出强烈信号的星系，甚至可以观测到更远处——红移达到3.5（119亿年前）。

一颗一颗星 | APOGEE的巡天目标是单颗恒星，通过光谱来确定每颗恒星的化学成分。蓝色标记的恒星中较重的元素较少，可能年龄更大；红色标记的恒星含有更重的元素，可能更年轻。数据被叠加在艺术家绘制的银河系示意图上。

从这些结构图中我们了解到，随着宇宙的演化，它会变得越来越团块化：随着时间的推移，引力将物质拉入一个巨大的网络。宇宙网中的模式细节能够告诉天文学家宇宙包含的物质内容和膨胀历史。我们甚至在这些模式中发现了可靠（尽管非常大！）的标尺。来自远古宇宙的声波印记会表现为在任意两对星系之间存在略微更合适的距离。SDSS的科学家在2005年第一次测量了重子声学振荡（baryonic acousticoscillation，BAO）的尺度。这项BOSS巡天项目后来扩展为eBOSS，通过获得数百万个星系和类星体的红移进一步完善了此前的这项工作。

BAO的尺度使天文学家能够对宇宙在大范围演化时间内的膨胀速率进行最精确的测量。关于宇宙当前膨胀率有两个存在激烈争议的数值，而测量结果倾向于数值较低的那个。SDSS BAO的观测数据还没有解决神秘暗能量加速膨胀的难题，但引领我们向着答案迈出了重要一步。

星系太多，时间太少

在创建宇宙地图的过程中，SDSS的观测为天文学家提供了近100万个星系的物理信息。除了测量它们的距离外，我们可以通过探测组成星系的恒星的运动来为星系“称重”，还可以测量它们正在形成多少颗小恒星。化学元素在细致的光谱中留下指纹特征，告诉我们恒星的类型和年龄，以及过去的恒星如何利用重元素增丰气体的历史。所有这些能够共同帮助我们重建每个星系的生命故事。

虽然我们只能看到单个星系生命的瞬间快照，但从数十万甚至数百万个星系的数据中，我们可以拼合出它们是如何随时间演化的。而在SDSS之前，这是不可能的：之前的星系的“大样本”数量最多只有几千个。

更大样本的进步意味着天文学家必须成为数据科学家：他们开始寻找大尺度的相关性，而不是研究少数几个星系。例如，SDSS的数据显示，较大的星系往往更红。它们的红润色调表明它们已经过了恒星形成的高峰期，因为所有年轻的、大质量的蓝色恒星都已经死亡。这些更大、更红的星系更有可能呈椭圆形（而不是螺旋状），由于过去的恒星诞生和消亡，它们含有更丰富的重元素。这样的星系也倾向于与它们的邻居靠得更近。

这些研究展示了星系之间的联系，许多星系的性质取决于它们在宇宙网中的位置。天文学家们在早些时候已经看到了很多这样的趋势，但SDSS的数据清晰而精确地证实了这种关系，这彻底改变了河外天文学。

第一阶段的巨大成功保证了星系科学将继续成为SDSS的一大科学主题。最初的主星系巡天只测量了每个星系的一条光谱，但在SDSS第四期中，阿帕奇天文台绘制近邻星系地图（Mapping Nearby Galaxies，MANGA）项目使用了一种称为集成视场光谱的技术，测量了共计10,000个星系的每个星系的数十到数百条光谱。这些光谱使MANGA能够绘制出星系不同部分的恒星形成，揭示出美妙的复杂性。像条形和螺旋形这样的内部结构混合在一起，改变了恒星和气体的运动方式。我们看到星系不再由内而外形成恒星，我们开始把内部过程与星系环境结合起来，并探讨它们如何影响其演化。