陳學雷丨聆聽宇宙“天籟”，探尋暗物質(zhì)之謎

“天籟”是一種宇宙的韻律，

我們想要探測宇宙大爆炸產(chǎn)生的聲音，

然后用它去理解暗能量到底是一種什么東西。

陳學雷 · 中國科學院國家天文臺研究員 宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團組首席科學家

格致論道第22期 | 2017年11月25日 北京

宇宙是怎樣開始的呢？有的朋友說，宇宙開始于一個大爆炸。

這是上個世紀一些科學家提出來的一種大膽猜想，后來這種理論被觀測證實了。

宇宙的未來是怎樣的？

既然宇宙開始于大爆炸，那么它有沒有結(jié)束？未來是什么樣子呢？

其實提出宇宙大爆炸理論的這些科學家也做了一些預言，他們假定宇宙中充滿了各種物質(zhì)，然后使用愛因斯坦的廣義相對論去預測宇宙的命運。

大家可以看到左面展示的是大爆炸的過程，而右面的這幅圖上展示的是對未來的預測。

宇宙經(jīng)過大爆炸以后，它就處在膨脹中，由于物質(zhì)萬有引力的作用，它會使膨脹慢慢變慢，變慢以后會怎么樣呢？

這就取決于這里面物質(zhì)的多少，和一開始膨脹的速度之間的關系。

如果這個膨脹的速度一開始不是那么大，而物質(zhì)很多，那么造成的結(jié)果就是它膨脹到一定程度以后，膨脹就會慢慢地減速，最后減到一定程度，很可能就停止了膨脹。然后又開始收縮，收縮到一定程度以后，最后就進入了一個“大塌縮”的狀態(tài)。

大塌縮之后宇宙會變成什么樣子?目前并不知道，因為到那個時候，所有的能量和密度都太高了，現(xiàn)在的理論都無法描述。

如果宇宙一開始的時候膨脹速度比較快，而這個物質(zhì)并沒有那么多，它也會使宇宙的膨脹減速，但是減速可能不足以使它停下來，這樣的話宇宙就會一直的膨脹下去。

也就是這幅圖里右邊的兩種圖景——它一直膨脹，但是減慢的速度可能沒有那么明顯。

這就是過去，大家對宇宙的未來的認識，那是不是這樣子呢？到底這幾種情況哪一種是對的呢？

加速膨脹的宇宙

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在上個世紀的八十年代，有一些科學家想要解決這個問題，但是都面臨一個很大的困難，就是我們怎么才能判斷到底是哪一種情況呢？

這個辦法就是測量不同時刻宇宙膨脹的速度。

左邊這幅圖上展示的是日常生活當中很常見的測量速度的方法。

宇宙學當中的這個情況略有不同，但道理是一樣的，就是測量宇宙中的不同時刻，它膨脹到底有多快，然后看看它的速度是怎么變化的。

當然宇宙學當中一個很大的問題在于，我們并不知道怎么樣測量這個距離。

自古以來，想要了解天體的距離就是非常困難的。

比如說，我們國家有一個著名的寓言，據(jù)說孔子遇到了兩個小孩在辯論：太陽到底是在早晨的時候離我們近一些，還是在中午的時候離我們近一些？

兩個小孩都提出了一些很好的論據(jù)，孔子就沒有辦法決定了，這就是所謂“兩小兒辯日”的故事。

實際上想要測量像太陽這樣一個離我們比較近的天體的距離，并不是那么容易，要測量更遠處的天體，當然就更難一些。但是科學家還是提出了一些方法。一種辦法就是通過所謂“標準燭光”來測量距離。

什么叫標準燭光呢？

在19世紀的時候，人們?yōu)榱搜芯抗鈱W，發(fā)明了一種比較標準的蠟燭，這些蠟燭點出來以后，光的亮度都是一樣的。

把它放在不同的距離上，可以看到，越遠的蠟燭看上去越暗一些，這就是標準燭光的作用。

就是我們知道它的絕對發(fā)光亮度，又可以測出它看上去有多亮，根據(jù)這兩者之間進行比較，就可以知道天體到底有多遠了。

問題在于我們有沒有這樣的蠟燭呢？

科學家們找到了一種這樣的“蠟燭”，這個“蠟燭“就是Ia型的超新星。

什么是超新星呢？

天空中的星星，有一些暗，有一些亮，亮的大多是離太陽系比較近的一些恒星。有時這些恒星會突然發(fā)生爆炸——爆炸往往是因為到了它的壽命尾期，或者由于它的核心塌縮，或者是由于吸積了別的物質(zhì)。

在宋朝的1054年，大家突然發(fā)現(xiàn)白天里出現(xiàn)了一顆星，非常非常亮，在白天都可以清楚地看到。

這顆星就是著名的1054年超新星，它遺留下來的爆炸痕跡今天還可以在天空中看到，就是所謂的蟹狀星云。

這顆超新星的爆炸亮度最大的時候，可以達到太陽亮度的100億倍。

上圖的右邊，就可以看到，一個星系中一顆超新星爆發(fā)以后，它非常非常亮。

雖然它這么亮，但是要在宇宙的距離上看到它，還是很困難的。我們需要在非常遠的地方找到這樣的超新星。

天文學家在漫天星斗中尋找這種超新星，可能就是有一個地方稍微亮了一點兒，亮的那一點兒實際上就是個超新星。

超新星有不同的種類。其中有一種超新星叫做Ia型的超新星，它的亮度經(jīng)過一些修正后，可以作為一種標準燭光，并且可以拿它來確定距離。

在20年前，當時國際上有兩個相互競爭的科學家團隊，這兩個團隊有一個驚人的發(fā)現(xiàn)。

他們當時本來是想要測量宇宙到底是持續(xù)地膨脹下去，還是到一定程度以后會減速最后轉(zhuǎn)成收縮，結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)這兩種情況都不對。

他們發(fā)現(xiàn)的是什么結(jié)果呢？

宇宙膨脹是在加速，越脹越快。

這項結(jié)果轟動了全球，其中貢獻最大的幾位科學家也獲得了諾貝爾物理學獎。

神奇的暗能量

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這就給我們提出了一個問題，就是為什么宇宙膨脹越來越快？原來這些大爆炸的提出者的預言錯了嗎？

科學家們進一步提出了各種理論，最終得到了一個結(jié)論，就是宇宙當中可能含有大量的暗能量。

現(xiàn)在組成宇宙的普通物質(zhì)只占我們這個宇宙的5%左右，剩下的95%以上的，很可能都是一些我們不知道的物質(zhì)，其中有百分之二十多是所謂的暗物質(zhì)。

雖然暗物質(zhì)不發(fā)光，我們看不到它，但是根據(jù)它的引力可以推測，它在星系或者星系團中大量存在，占這個宇宙的百分之二十多。

它的性質(zhì)還算不難理解，它畢竟是產(chǎn)生萬有引力的。

而這個暗能量，它的性質(zhì)就非常奇異。它的效應是使得宇宙的膨脹加速，也就是說相當于某種萬有斥力一樣，這是一種很神奇的東西。

正因為它這種神奇，我們給它起了個名字叫做“暗能量”，但是它到底是什么？我們其實并不知道。

有了暗能量以后，宇宙的命運就會發(fā)生很大的變化。就是它不但在膨脹，而且膨脹得越來越快。

這樣的一個宇宙會出現(xiàn)什么情況呢？

上圖就展示了一種可能性，就是我們現(xiàn)在的星系周圍還有很多別的星系。

但是宇宙這樣膨脹下去，而且越脹越快，別的星系就會越來越少，因為它們都被膨脹到遠處去了。

經(jīng)過900多億年以后，很可能最后就剩下我們自己孤零零地在這里，周圍什么星系也看不見了。

我們這個宇宙可能就會在永恒的孤寂當中結(jié)束，就是永遠待在這里，但是這也只是一種可能性。

因為我們并不知道暗能量到底是什么，所以它也存在著別的可能性。

有可能暗能量會越來越多。如果越來越多的話，它甚至很可能不光是把別的星系都脹到遠處，而是我們自己的這個星系最后沒準也會被拉散開，甚至地球會被拉散開，我們的原子會被拉散開，這種就叫做“大撕裂”，這是一種可能性。

在這種情況下，宇宙到底會變成什么樣子？我們又不知道了。

還有一種可能就是說，這個暗能量現(xiàn)在在驅(qū)動宇宙加速膨脹，但也許在未來某一天，它又反過來會使宇宙收縮，也有這種可能性。

所以這些可能性都是存在的，只有解開宇宙的暗能量之謎，才能夠回答宇宙的命運是什么。

如何解開暗能量之謎？

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但是怎么解開這個謎呢？

首先我們需要對它有一個很精確的測量，提供給搞理論研究的人去分析。

實際上這個理論的研究者很多。目前的暗能量理論大概有幾百種，這些理論都有一些理論上的出發(fā)點，但是都沒有充足的證據(jù)。所以我們需要觀測去解決這個問題。

但是超新星的觀測是不是就足夠了呢？

其實有很多科學家對這個理論也是質(zhì)疑的，就是說超新星是一種標準燭光，它爆炸的時候都是同樣的亮度，或者不是同樣的亮度，但是修正一下可以當做同樣的亮度。

但是，也許我們對超新星的認識是不完全的，也許存在著一些奇異的超新星，使我們誤解了它。

有沒有這種可能性呢？有這種可能性。

我們的辦法就是用盡可能多的方式去測量它。其中一種辦法就是用宇宙大爆炸時候產(chǎn)生的聲波振蕩來測量，聲波振蕩為什么能用來測量這個東西呢？

上圖左邊有一個水塘，在雨天里落下來雨滴，你會發(fā)現(xiàn)上面有很多圓形的波紋，顯然波紋是雨滴打到水上激起的，

仔細看的話，這些波紋有大有小。為什么會有大有小呢？因為雨滴落進去的時刻是不一樣的。

但是假如一桶水潑到這個湖面上，你會發(fā)現(xiàn)所有的水都是同一個時刻落在水上，它激起的波也是同樣的，這樣的話，所有的圓環(huán)都是同樣大小的。

這個同樣大小的圓環(huán)，如果混在一起，可能我們?nèi)庋劬鸵呀?jīng)不好分辨它了。

如果我們有一種數(shù)學的方法去對它進行分析，我們還是可以看出來這些圓環(huán)到底已經(jīng)膨脹多大了。

用這種辦法，我們提供了一種新的尺子，就是宇宙距離的“標準尺”來測量宇宙，這是另一種測量距離的方法，可以去檢驗甚至更精密地測量暗能量到底是什么東西。

可能大家會問，我們宇宙中的“水”是什么呢？

水在這個情況下就是星系的分布。

上面這幅圖里，我們相當于站在中心,向周圍遠方望去,宇宙中存在著大量的星系。圖中每一個點，無論是桔色的點，還是綠色的點，實際上都代表一個星系。

這些星系分布的狀態(tài)，如果仔細看，它其實是不規(guī)則的。但是它好像又暗含著某種規(guī)則，就是它看上去像是一些纖維狀的結(jié)構(gòu)，但是我們看不出來有什么特殊之處。

如果把它分解成不同波長的話，你會發(fā)現(xiàn)它整體上、在比較大的尺度上（上圖左側(cè)），它比較高；在小的尺度上（上圖右側(cè)），它又會降下去。

降下去的過程中，它有一些振蕩的痕跡。

如果我把整個降下去這部分去掉，你會看到中間的小插圖里有振蕩的痕跡。

這個振蕩的尺度，就告訴我們宇宙不同的距離尺度，用它我們就可以了解宇宙距離是多少，是怎么樣膨脹的。

用這種方法得到上圖，其中灰色的線代表的是原來用超新星做的觀測，藍色的線代表的是用這種方法測到的觀測。

大家會發(fā)現(xiàn)藍色線都在這個灰色的上面，這都是幾年以前的一次觀測，數(shù)據(jù)也在不斷地變化。

但是超新星和用這種聲波振蕩的方法測出來的距離，并不完全一致。

這種不完全一致到底僅僅是誤差造成的，還是說有什么更深刻的意義？

現(xiàn)在還不了解，還需要更精確地進行觀測。

國際上把暗能量作為當前一個很重大的科學問題，有很多很多實驗去測量它。

包括未來發(fā)射的衛(wèi)星，比如歐幾里得衛(wèi)星、WFIRST衛(wèi)星，也包括升級一些地面的大型望遠鏡去進行觀測等，但是這些觀測大部分都是在光學波段的。

這樣的話也有一個問題，我們看不到暗能量，做的這些觀測都是有很多假定的。

那么光學觀測看到的都是同樣的恒星，會不會又有一些我們不了解的效應在欺騙我們呢？

射電觀測，也就是無線電觀測，提供了另外一種視角。

上圖展示的是光學看到的星系（左）和用射電波段看到的同一個星系（右）。

在無線電波段，或者叫射電波段，我們能看到什么呢？

其實這個宇宙中，最多的一種元素——不是在暗物質(zhì)和暗能量中——在普通的物質(zhì)中最多的一種元素是氫，因為氫元素在宇宙大爆炸中就形成了。

這個氫元素會產(chǎn)生一種波長為21厘米的輻射，波長21厘米實際上就是一種微波，這種微波輻射是可以被探測到的。

如果去測量這個輻射的強度，就會看到這個星系里頭的中性氫，或者說氫原子是怎么樣分布的。

這里展示了一個星系里的氫原子，希望提出用一種新的方法，也就是微波或者是無線電的方法，去進行這樣的觀測。

當然這個觀測難度也是很大的。左邊這個圖展示的是美國的Arecibo望遠鏡，它的口徑是300米，在之前幾十年的時間里，它都是世界第一的射電望遠鏡。

它觀測到的右圖，可以看到有很多藍點是光學觀測的，而紅點是無線電觀測的。

大家會發(fā)現(xiàn)紅點少很多，而且距離也不是很遠，實際上就是說它的靈敏度相對光學來說還是差一些。

那有了更好的望遠鏡是不是就能夠看得更遠呢？我們國家建成了世界最大的單天線望遠鏡FAST。

FAST的設計師南仁東先生已經(jīng)去世了。

2006年，南仁東先生提出要研制FAST，他也建議用FAST去做宇宙學的研究。

FAST雖然靈敏度提高了，但是看的距離還是有限的。而且，F(xiàn)AST雖然已經(jīng)很大了，但是如果要去看星系的話，還是看不太清楚，看不太清楚的話會不會有影響呢？

后來再仔細想了一下，發(fā)現(xiàn)問題也不大。

上圖每一個點代表一個星系，我們?nèi)タ凑麄€星系的話，如果我們的分辨率不夠，就看不出來單個的星系，它們都混在一起了，就成了下面那個圖。

雖然看不見單個的星系，但能看到它們整個是怎么樣分布的，用這種方法還可以進一步提高靈敏度，看到更遠的宇宙。

而且，除了FAST本身可以做這方面的研究以外，研制專門的望遠鏡，也許用更小成本就可以實現(xiàn)更好的探測。

傾聽宇宙的韻律

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這樣就提出了“天籟計劃”。

這時候國外也有很多人提出了同樣的想法，所以我們組成了“天籟聯(lián)盟”。

“天籟”這個詞來自莊子，他在《齊物論》中提到“天籟、地籟、人籟”?！暗鼗[”，像風刮過山谷的聲音。“人籟”，像人吹奏樂器的聲音。

天籟是什么呢？

“天籟”是一種宇宙的韻律。我們想要探測宇宙大爆炸產(chǎn)生的聲音，然后用它去理解暗能量到底是一種什么東西。

到目前為止，全世界有好多個實驗在做宇宙距離上的中性氫，但誰也沒有能夠做到。

為什么呢？

因為如果你去看宇宙遠處的中性氫，就像我們左邊這個圖最后的那個中性氫產(chǎn)生的信號。

在它前面疊加著一個很強的亮光，這個很強的亮光來自銀河系，也就是右邊圖上展示的銀河系的前景。銀河系前景輻射，比21厘米的信號大概強10萬倍左右。

所以我們要想看到這個21厘米信號，就好像我們白天想要看到星星一樣。星星在那里，但是它淹沒在大氣散射的陽光中了。

必須用非常精密的手段把這個東西減掉，才能看到這個信號。那么能不能減掉呢？

幸運的是，大自然還是給了我們一個機會。

因為銀河系產(chǎn)生的這種同步輻射，或者說前景輻射，它是一種頻譜很光滑的東西，看上去很平滑，是一條直線，或者是稍微有點兒彎曲的光滑的曲線。把這個東西減掉以后，就會展現(xiàn)出氫原子的分布，造成21厘米輻射強度的變化。

所以原則上這是可以做到的，但是它需要非常精密的儀器和復雜的數(shù)據(jù)處理手段。

從2012年得到了立項支持以后，展開相關研究，在興隆、內(nèi)蒙古架設小型的天線進行這方面的實驗。

我們還需要選一個最好的站址，因為天文產(chǎn)生的射電信號是非常微弱的，而地面上的像雷達、電視、手機等都會產(chǎn)生很強的干擾信號，我們必須避開這些干擾信號。

怎么樣才能找到這種干擾信號最少的地方呢？

當然人煙越稀少產(chǎn)生的信號就越會少，最好周圍有一些山遮擋一下。

但是，要是跑到一個無人區(qū)的地方，或者是海島上，也有一個問題，就是還需要提供電力、通訊、道路等等，這是一個綜合問題。

我們在全國選了大量的站址，跑了一百多處地方。從站址分布中大家可以看到，有很多分布在內(nèi)蒙古。

我們一開始想在內(nèi)蒙古找，原因就在于內(nèi)蒙古離北京很近，對我們做實驗是比較方便的。

但遺憾的是，后來我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古雖然人比較稀少，但地形太平了，一望無際的大草原，電波都可以傳過來，所以干擾還是很嚴重的。

這個圖是在FAST望遠鏡的周邊，我們也做過選址，大家可以看到那些綠色的，是我們通過遙感地圖找出來的一些小平地。

另外我們也去選了青海、西藏和新疆的很多地方。

我們當時跑這些地方很辛苦，但是也很有意思，見到了很多平時不容易見到的情況。

貴州平塘建設FAST的地方，我們最終還是放棄了，原因在于這個地方它的山很陡，非常非常陡。

我們可以帶著設備走到里頭，里邊也有平地，但是車要翻過這個山就比較困難了，需要專門炸山修路。

這對于FAST這樣很大的望遠鏡來說是可以的，但對于我們一開始做的這種小實驗來說，成本太高，周期太長，我們就放棄了。

最后我們?nèi)チ诵陆?，我們在新疆也跑了好幾十個點。

這是最后我們找到的新疆的巴里坤，它位于新疆的東部，是絲綢之路上的一個小城。

大家有機會可以去瞧一瞧，非常美麗，在這個城的旁邊就是雪山，也有漢代和唐代遺留下來的這種“烽燧”。這個地方條件很艱苦，但是好處在于人煙確實比較稀少。

我們最后選站的站址離剛才說的那個小城還有160公里，人非常少，偶爾會碰上一些牧民和駱駝、羊。

我們在當?shù)剡M行了建設，在建設的過程中，很多同事和同學們付出了艱苦的努力。

圖中展示的是我們在安裝天線。冬季如果降雪，做這個工作也很困難，當時我們的幾位同事步行幾公里，進入這個地方去進行維修和測試。

右下看上去穿著打扮像民工的這位，是我們組的吳鋒泉副研究員，他寫過很多論文。同時他還是一個多面手，能開鏟車，也能修得了鏟車，還能給我們搭建各種東西。

當時進去做維修很困難，他就自己帶幾個馕進去。夏天我們場地里有一些野生的沙蔥，他就拔幾根沙蔥用水洗一下，就著馕吃。

我感到非常欣慰的是，我們的同事和同學們沒有計較自己的付出，而是一起齊心協(xié)力把這個建成了。

這就是我們現(xiàn)在建成的望遠鏡陣列——天籟陣列。

前面一些圓形的我們叫碟形陣，后面是所謂的柱形陣。

對于這兩種陣，大家可能會疑問，為什么要弄出兩種來？其實現(xiàn)在也有一些爭論，到底哪一種更有優(yōu)勢？我們通過比較來了解。

這個是柱形陣的另外一張照片。

這是我們的站房，在冬天那地方還是比較冷的。

我們在去年首次實現(xiàn)了初光的觀測。

大家可以看到，右邊就是我們用初光觀測產(chǎn)生的天圖，左邊對應的是其它望遠鏡之前測到的天圖。我們現(xiàn)在只是一次初步的測試，所以這還是一個不太靈敏的結(jié)果。

大家會看到，左邊天圖上的一些東西，右邊也都看到了，但是右邊還有一些左邊沒有的。

這當中有的是像移動的源，比如說像太陽造成的，也有的是初步結(jié)果里的一些假象，通過進一步的數(shù)學處理可以把它去掉。

我們下一步就要研究怎么把它處理掉，獲得更好的圖像。

如果最后我們?nèi)〉贸晒Φ脑?，就要把這個陣列擴展出來去做整個的觀測。

如果成功的話，我們會非常好地限制暗能量模型，甚至有可能探測到暗能量到底是不是隨著宇宙的膨脹在變化。

為什么要去做天籟實驗呢？

其實這個實驗是有爭議的，有很多人不一定完全贊同我的觀點，但是我為什么要去做這個試驗呢？能發(fā)表更多的論文嗎？

其實不是，因為原來我做理論的時候，只要動動腦子很快就可以寫出論文，而這個是要花很多時間去進行實驗的工作。

更容易出成果嗎？

當然也不是，這個工作實際上全世界目前都還沒有成功，大家都在探索。

能保證取得成功嗎？

我們不敢保證，因為有一些21厘米的實驗已經(jīng)進行十多年了，現(xiàn)在也還沒有任何結(jié)果出來。

我們現(xiàn)在去嘗試這個東西，并不知道什么時間能夠取得成功。但是我為什么要去做它呢？

因為我覺得非常幸運，它給了我一個探索宇宙和發(fā)現(xiàn)新事物的機會。

2015年前，人們第一次看到了引力波，轟動了全球。

但是引力波提出了以后，經(jīng)過了近百年的嘗試。

從六十年代大家就開始去做實驗，一直到現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的多少代人的嘗試，才最終實現(xiàn)了這樣的探測。

實際上我原來還認為很可能我們的實驗會比引力波先成功，但現(xiàn)在引力波已經(jīng)成功了，我們還沒有成功，但是我相信，遲早有一天我們也會取得成功的！

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文章和演講僅代表作者觀點，不代表格致論道講壇立場。