一幅由暗物質(zhì)和暗能量組成的網(wǎng)絡(luò)中星系的插圖顯示了引力透鏡的影響，藍綠色表示星系的天文臺真實位置和形狀，白色表示移動的解開
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（神秘的黑暗地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（羅伯特·李）：一個開創(chuàng)性的新天文臺將構(gòu)建有史以來最精確的宇宙地圖，在此過程中，宇宙它可能會解決兩個最緊迫的魯賓科學(xué)之謎:暗能量和暗物質(zhì)的性質(zhì)。總的天文臺來說，這些成分構(gòu)成了所謂的解開黑暗宇宙。
Vera C. Rubin天文臺目前正在智利Cerro Pachón山的黑暗El Peón峰上開發(fā)，計劃于2025年開始運營。宇宙屆時，魯賓魯賓將進行空間和時間的天文臺遺產(chǎn)調(diào)查(LSST)，在10年內(nèi)每隔幾個晚上觀察整個可見的解開南方天空。它將在每個夜晚捕捉多達1000張?zhí)炜請D像，黑暗
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當它這樣做時，魯賓的寬視野將揭示暗物質(zhì)如何扭曲遙遠星系的圖像，這將使科學(xué)家更好地繪制神秘物質(zhì)的地圖。而且，由于這個大規(guī)模的宇宙網(wǎng)絡(luò)似乎將星系拉在一起，而暗能量則將其推開，這可能會揭示這種宇宙“拔河”的細節(jié)，從而揭示暗能量和暗物質(zhì)如何交織在一起形成宇宙。
“有了魯賓，我們將擁有一切，”魯賓運籌學(xué)專家安德烈斯·亞歷杭德羅·普拉扎斯·馬拉貢(Andrés Alejandro Plazas Malagón)在一份聲明中表示。“我們將測量比現(xiàn)在更多的星系的屬性，這將為我們提供統(tǒng)計能力，利用弱透鏡來繪制暗物質(zhì)的分布，并研究暗能量如何隨時間演變。”
魯賓是如何揭示黑暗宇宙的
暗物質(zhì)和暗能量對研究人員的研究具有挑戰(zhàn)性，因為即使它們占宇宙總能量和物質(zhì)含量的95%(暗物質(zhì)代表27%，暗能量代表68%)，但它們對我們來說本質(zhì)上是不可見的。這意味著構(gòu)成恒星、行星和我們周圍日常事物(包括我們的身體)的物質(zhì)只占宇宙內(nèi)容的5%。
暗物質(zhì)看不見的原因是它不與光相互作用。因此，只能通過它對光和我們實際能看到的“普通”物質(zhì)的引力效應(yīng)來推斷。事實上，這些引力效應(yīng)實際上有助于在星系旋轉(zhuǎn)時將它們的內(nèi)容保持在一起，這是美國天文學(xué)家維拉·c·魯賓的發(fā)現(xiàn)，她以自己的名字命名了這個革命性的新天文臺。雖然暗物質(zhì)在內(nèi)部將星系聚集在一起，但這些星系本身也聚集在一起，這意味著物質(zhì)在更大的范圍內(nèi)擴散，保持我們宇宙的結(jié)構(gòu)強大。
暗能量也在更大的尺度上發(fā)揮作用，加速宇宙的膨脹——在與時空結(jié)構(gòu)相互作用的同時，越來越快地推動星系分離。
黃昏時分出現(xiàn)在智利塞羅巴洪的埃爾佩尼翁峰上的維拉c魯賓天文臺。(圖片鳴謝:uux.cn/Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)
“你可以認為暗物質(zhì)試圖建立宇宙結(jié)構(gòu)，而暗能量實際上試圖稀釋它們，并將它們分開，”Plazas Malagón說。
宇宙常數(shù)描述了暗能量的活動，但這被一些科學(xué)家描述為“物理學(xué)歷史上最糟糕的理論預(yù)測”，這種說法也并不夸張。量子場論預(yù)測的宇宙常數(shù)的理論值，考慮了宇宙中的所有粒子，比天文學(xué)家觀測宇宙測得的值大120個數(shù)量級。
這相當于測量一袋糖，發(fā)現(xiàn)它重1磅，而你對單粒糖的計數(shù)預(yù)測它應(yīng)該重10^120磅(1后面跟著120個零)。
魯賓可以幫助確定宇宙常數(shù)的精確值，他可以利用一種叫做引力透鏡的現(xiàn)象更好地繪制不可見的、跨越宇宙的暗物質(zhì)宇宙網(wǎng)絡(luò)，這種現(xiàn)象由阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對論中首次預(yù)測。
廣義相對論認為有質(zhì)量的物體對宇宙結(jié)構(gòu)有“扭曲”效應(yīng)。質(zhì)量越大，扭曲越嚴重。從時空的扭曲中，重力的概念產(chǎn)生了。
一幅插圖顯示了光線在穿過暗物質(zhì)的宇宙網(wǎng)絡(luò)時被引力透鏡彎曲。(圖片鳴謝:uux.cn/Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)
當光通過時空中的一個扭曲或“凹痕”時，它的路徑就會彎曲。這意味著，當一個質(zhì)量很大的物體位于地球和遠處光源之間時，來自背景光源的光可以繞過介入物體，根據(jù)它們掠過介入物體本身的距離，這些光會彎曲到不同的極端。有時候，那些路徑導(dǎo)致光的來源從我們地球上的有利位置看起來被放大了。這種現(xiàn)象被稱為“引力透鏡”
暗物質(zhì)也有質(zhì)量；因此，盡管物質(zhì)的神秘形式本身并不與光相互作用，它也參與了光的彎曲。這種效應(yīng)已經(jīng)被用來確定大多數(shù)星系都被一個暗物質(zhì)環(huán)所包圍。
在被稱為“強透鏡”的極端情況下，彎曲時空的效應(yīng)會導(dǎo)致物體在同一張圖像中出現(xiàn)多次，或者導(dǎo)致背景物體出現(xiàn)模糊或扭曲。這可以放大光線，讓遠處模糊的物體清晰可見。然而，還有更微妙的引力透鏡現(xiàn)象，稱為“弱透鏡”，它們本身就很有用。
斯坦福大學(xué)博士候選人西奧·舒特在聲明中說:“如果強透鏡就像透過酒杯底部觀看，那么弱透鏡就像透過一扇巨大的、非常微妙扭曲的窗戶觀看。”
弱透鏡效應(yīng)不僅會出現(xiàn)在大質(zhì)量物體(如星系或星團)產(chǎn)生的強透鏡效應(yīng)的邊緣，還會出現(xiàn)在被認為彌漫宇宙的大規(guī)模暗物質(zhì)宇宙網(wǎng)中。這導(dǎo)致了遙遠星系的細微扭曲，這種扭曲通常太輕微了，以至于它們自己看不到，但是當考慮到同時對幾個星系的累積扭曲效應(yīng)時，這種扭曲是可以計算的。
這最終意味著，要看到宇宙暗物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的弱透鏡效應(yīng)，需要一個龐大的星系數(shù)據(jù)集和整個天空的集體扭曲視圖。
這就是魯賓的用武之地。
憑借其8.4米望遠鏡提供的巨大視野，配有世界上最大的數(shù)碼相機，該天文臺將能夠可視化大片天空，并收集數(shù)十億個星系及其形狀的數(shù)據(jù)。事實上，魯賓可能如此強大，以至于它有可能提出證據(jù)，證明暗物質(zhì)和暗能量根本不是宇宙的正確成分——而且可能需要一個修正的引力理論來解釋我們周圍看到的宇宙。
“暗能量是一個符合愛因斯坦廣義相對論中公認的引力理論的概念，但魯賓和LSST也將允許我們探索它的替代物，這也令人難以置信地興奮，”Plazas Malagón總結(jié)道。
