廣袤宇宙的億萬星系間，隱藏著一把“量天尺”。有了它，科學家可以丈量出宇宙膨脹有多快，進而探索推動宇宙膨脹的神秘力量——暗能量到底是什么，并推測宇宙的命運。

近期，中國天文學家基于對100多萬個星系的觀測，成功地利用這把“尺子”，重建了宇宙的暗能量演化歷史。研究發現，暗能量是“動態”的。

“這意味著引起宇宙膨脹的暗能量可能不是以前很多科學家認為的密度為常數的真空能，而是某種具有動力學性質的能量場。”領導這項研究的中國科學院國家天文臺研究員趙公博說。

國際權威學術期刊《自然·天文》最近在線發表了趙公博團隊有關暗能量的研究成果。

“如果暗能量是真空能的話，那么宇宙會一直膨脹下去，最后以‘大撕裂’終結。但如果暗能量是動力學的，那么宇宙可能會經歷膨脹、收縮、再膨脹，出現循環宇宙。”趙公博說。

科學家借助類星體丈量宇宙。（中科院國家天文臺供圖）

尋找“量天尺”

宇宙這么大，科學家怎樣測量呢？趙公博介紹，大自然提供了一把神奇的尺子：重子聲波振蕩。

他解釋說，在宇宙早期，重子物質、光子等組分像一鍋粥一樣處于高溫、高密度的流體狀態，宇宙創生時留下的原初擾動就在這樣的流體中傳播，造成流體密度、溫度、壓強等在時間序列上的周期變化，這種傳播機制跟聲音傳播的機制從本質上是一樣的，所以科學家稱之為重子聲波振蕩。

宇宙大爆炸后約38萬年，冷卻下來的宇宙從“一鍋粥”變為透明，重子聲波振蕩的傳播戛然而止，振蕩信息被“凍結”在時空中。但它擁有的巨大力量改變了宇宙中物質的分布，并最終驅使星系以一種特定的方式分布。

2005年，重子聲波振蕩信號首次被發現，宇宙學家終于獲得夢寐以求的“量天尺”，用它來測量宇宙到底是平坦的還是彎曲的，膨脹速率是多少。

但這只是第一步，科學家還需要對宇宙精確測量。

從2012年起，趙公博團隊利用美國新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺斯隆望遠鏡，從星系和類星體的觀測數據中，以高精度測量得到了重子聲波振蕩信號。

“重子聲波振蕩觀測的精度越來越高。以前的觀測都是集中在一個很短的時期，而我們使用了新的方法，就像對更遼遠的宇宙做一個CT掃描，可以知道更多宇宙演化的歷史。”趙公博說。

依據“量天尺”的測量，天文學家將繪制出宇宙的三維圖。

重子聲波振蕩是大自然提供的“量天尺”（中科院國家天文臺供圖）

探尋暗能量

1929年，美國天文學家哈勃發現大多數星系的光譜存在紅移現象，表明這些天體在逐漸遠離我們，意味著整個宇宙處于膨脹狀態。這一發現當時震驚世界，打破人類千百年來“宇宙為靜態”的觀點。

當時人們希望宇宙的膨脹減速進行，這樣宇宙的未來還有可能是靜態的。但1998年，由美國、澳大利亞科學家領導的兩個研究小組，幾乎同時在超新星觀測中發現宇宙竟然是在加速膨脹。

科學家假設了一種能推動宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量。目前科學家對暗能量的本質知之甚少。科學家對暗能量提出很多種理論模型，比如中科院高能物理研究所研究員張新民提出的精靈暗能量模型。而目前，趙公博團隊利用斯隆望遠鏡進行的觀測結果與張新民的暗能量模型相符。

要檢驗眾多理論預言，往往需要借助大規模數值模擬。“我們使用中國的天河計算機，以及一些國外的超級計算機，模擬出約2000個宇宙，用于數據分析。”趙公博說。

斯隆望遠鏡。（中科院國家天文臺供圖）

在科學家的計算機上，幾十億、上百億年時光飛逝而過，星系形成，宇宙演化。

“我想了解宇宙加速膨脹究竟是為什么？這里有太多新物理了。普通物質只占宇宙的5%，剩下95%的暗物質和暗能量是什么我們還都不知道。一旦有一天，我們知道了暗能量是什么，將帶來整個物理學的革命。”趙公博說。

據介紹，未來5到10年內，中國和國際上將運行一批大型地面和空間暗能量項目，例如，中國未來空間站中將包括一個光學艙，它就是一個直徑兩米的空間望遠鏡，研究暗能量將是其主要科學目標。（記者喻菲）

[責任編輯：楊凡、賈曉宇]

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