郝建綱　李新洲

最新的天文觀測(cè)證據(jù)表明，宇宙中暗能量約占68%，暗物質(zhì)約占27%，剩下的5%才是人們熟悉的通常物質(zhì)。暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)到底是什么？找尋這個(gè)問(wèn)題的答案已成了如今天體物理、粒子物理以及天文學(xué)研究的核心熱點(diǎn)?，F(xiàn)在，一個(gè)名為暗能量巡天觀測(cè)的項(xiàng)目，吹響了人類(lèi)對(duì)暗能量、暗物質(zhì)及更早期宇宙探索的號(hào)角。

何謂宇宙？宇宙從何處來(lái)？3L往何處去？宇宙是如何誕生的？又是如何演化的？宇宙的命運(yùn)又是怎樣的？自古以來(lái)，人類(lèi)一直就對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行著不懈的探究。然而，在漫長(zhǎng)的人類(lèi)歷史中，對(duì)于上述問(wèn)題的思考，在大多數(shù)時(shí)間里都止于邏輯推理，而不是基于觀測(cè)證據(jù)。20世紀(jì)自然科學(xué)的飛速發(fā)展，特別是物理學(xué)的革命性發(fā)展，使宇宙學(xué)不再囿于純數(shù)學(xué)推理，而是使用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。特別是最近的20多年里，技術(shù)的進(jìn)步更將人類(lèi)對(duì)宇宙的研究推進(jìn)到“精確時(shí)代”。對(duì)于宇宙的組分、演化以及命運(yùn)，人們已經(jīng)可以用精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判定理論是否正確。由美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家發(fā)起的暗能量巡天觀測(cè)（Dark Energy Survey，DES）項(xiàng)目就是精確觀測(cè)宇宙的一個(gè)范例。目前，已有200多位國(guó)際學(xué)者加入到這個(gè)項(xiàng)目。

世紀(jì)之交的烏云

人們總喜歡在世紀(jì)之交時(shí)總結(jié)過(guò)去并展望未來(lái)。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)交替之時(shí)，物理學(xué)家也對(duì)當(dāng)時(shí)的物理理論進(jìn)行了總結(jié)。開(kāi)爾文勛爵（Lord Kelvin）在一次著名演講中認(rèn)為，基于牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁理論的物理學(xué)大廈已經(jīng)接近完成。但是出于物理學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)，他還是指出了存在著兩個(gè)“不和諧”的因素：其一是邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)（Michelson-Morley experiment）零的結(jié)果，其二是黑體輻射譜。這兩個(gè)不和諧的因素也常常被稱(chēng)為兩朵烏云，它們對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)無(wú)法用牛頓力學(xué)和麥克斯韋理論合理解釋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。熟悉20世紀(jì)物理學(xué)的人都知道，這兩朵烏云后來(lái)引起了兩場(chǎng)風(fēng)暴，促成了相對(duì)論和量子論的誕生。這兩個(gè)新理論導(dǎo)致了20世紀(jì)人類(lèi)對(duì)自然認(rèn)知的革命性飛躍。

歷史并不會(huì)簡(jiǎn)單重復(fù)，卻總是驚人的相似。在20世紀(jì)末21世紀(jì)到來(lái)之際，物理學(xué)的理論大廈又一次接近“完成”，只不過(guò)這次出現(xiàn)了兩朵更大的烏云。這兩朵烏云均來(lái)自人類(lèi)對(duì)浩瀚宇宙的觀測(cè)，其一稱(chēng)為暗物質(zhì)。其二稱(chēng)為暗能量。神奇的宇宙和人們開(kāi)了一個(gè)玩笑，它一方面給出信息，告訴人們?nèi)绻侠淼亟忉屘煳挠^測(cè)結(jié)果，那么宇宙中必須有這兩種“神奇”的物質(zhì)組分。但是另一方面，它卻不輕易告知這兩種物質(zhì)的本質(zhì)究竟是什么。盡管人們對(duì)這兩種物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)尚未了解，但是當(dāng)引入這兩個(gè)“暗箱”之后，現(xiàn)有的理論幾乎可以很好地解釋所觀測(cè)到的所有現(xiàn)象。

通過(guò)大量的天文觀測(cè)，人們對(duì)宇宙已有了相當(dāng)了解。宇宙創(chuàng)生于大約138億年前一次大爆炸（bigbang），緊接著經(jīng)歷了一段非?？焖俚募铀倥蛎?，人們將其稱(chēng)為暴脹。暴脹結(jié)束后，宇宙繼續(xù)膨脹。但是不再加速而是減速膨脹。隨后，從大約100億年前開(kāi)始到現(xiàn)在，宇宙又開(kāi)始加速膨脹。在已知的四種相互作用中，只有引力和電磁力是長(zhǎng)程力，可以在大尺度上產(chǎn)生效應(yīng)。但是電磁力必須作用于帶電荷的物體而宇宙中的絕大部分物體都是電中性的，所以只有引力才是對(duì)宇宙的演化起到關(guān)鍵作用的力。

對(duì)于人們來(lái)說(shuō)，引力并不陌生。從牛頓的蘋(píng)果，到愛(ài)因斯坦的彎曲時(shí)空，人類(lèi)對(duì)引力已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)牧私?。到目前為止，?duì)于引力的最精確的描述是愛(ài)因斯坦提出的廣義相對(duì)論。日常經(jīng)驗(yàn)告訴人們，引力似乎總是導(dǎo)致物質(zhì)之間相互吸引，以至于中文里把gravity直接澤為“引力”，即意為吸引的力。比如，地球把月亮“吸引”在周?chē)?yáng)把地球“吸引”在周?chē)?，地球把人吸附在大地上，如此等等。然而廣義相對(duì)論指出，引力并不總是使物質(zhì)相互吸引，它也可以使物質(zhì)相互排斥。嚴(yán)格地說(shuō)，基于廣義相對(duì)論的等效原理，吸引和排斥的概念與時(shí)空彎曲的概念是無(wú)法區(qū)分的。這里，為了便于讀者理解，采取了吸引性與排斥性這個(gè)相對(duì)比較好理解的方式來(lái)介紹。物質(zhì)產(chǎn)生的引力是吸引性的還是排斥性的，取決于物質(zhì)本身的特性。這里之所以討論吸引性和排斥性，是因?yàn)橛钪鏁r(shí)而加速膨脹時(shí)而減速膨脹。加速膨脹是因?yàn)槲镔|(zhì)彼此之間相互排斥，而減速膨脹則意味著物質(zhì)之間相互吸引。所以，如果要在廣義相對(duì)論的框架下解釋宇宙的加速和減速膨脹，必須要有不同特性的物質(zhì)在不同的時(shí)期占主導(dǎo)地位，從而在大尺度上產(chǎn)生吸引性或排斥性的引力。

什么物質(zhì)產(chǎn)生吸引的引力而什么物質(zhì)又產(chǎn)生排斥的引力呢？粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子都產(chǎn)生吸引的引力。但是，通過(guò)對(duì)星系轉(zhuǎn)動(dòng)曲線的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些物質(zhì)所產(chǎn)生的吸引作用是不夠的。要解釋觀測(cè)結(jié)果，必須假定在星系里面有大量的，看不到的物質(zhì)，這些物質(zhì)可以產(chǎn)生非常強(qiáng)大的吸引性引力。同時(shí)，由于至今沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室里觀測(cè)到這種物質(zhì)，這說(shuō)明它們與通常物質(zhì)幾乎不發(fā)生相互作用，或者只有非常微弱的相互作用?，F(xiàn)在將這種特殊的物質(zhì)組分稱(chēng)為暗物質(zhì)。然而，在更大的尺度上，觀測(cè)結(jié)果表明宇宙在加速膨脹。因此，必須要有另外一種特殊的物質(zhì)組分來(lái)產(chǎn)生排斥的引力。這種物質(zhì)比暗物質(zhì)更加神秘。人們對(duì)它的了解微乎其微，但是這并不影響觀測(cè)到它的效應(yīng)。現(xiàn)在稱(chēng)它為暗能量。最新的天文觀測(cè)證據(jù)表明。宇宙中暗能量約占68%，暗物質(zhì)約占27%，而剩下的5%則是人們熟悉的通常物質(zhì)。

然而，暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)到底是什么？找尋這個(gè)問(wèn)題的答案已成了現(xiàn)今天體物理、粒子物理以及天文學(xué)研究的核心熱點(diǎn)。

暗能量的三類(lèi)證據(jù)

現(xiàn)有的天文觀測(cè)結(jié)果都表明宇宙組分中大部分是暗能量，具體的觀測(cè)證據(jù)分成三大類(lèi)。

第一類(lèi)證據(jù)源于超新星的紅移和亮度的關(guān)系。超新星有很多種類(lèi)，這里特指的是Ia型超新星。超新星是一種奇特的星體，當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到錢(qián)德拉塞卡極限時(shí)，它會(huì)爆發(fā)而成為超新星。錢(qián)德拉塞卡極限是一個(gè)特定值，大約是1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，所以天文學(xué)家認(rèn)為超新星都是在這個(gè)臨界質(zhì)量上爆發(fā)的。因此，它們內(nèi)在的亮度是一定的，從而天文學(xué)家將超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，根據(jù)它的表觀亮度來(lái)確定它的距離。由于宇宙在膨脹，超新星距離地球越遠(yuǎn)，就意味著它在時(shí)間上也越早，所以亮度從某種程度上揭示了超新星爆發(fā)時(shí)間的早晚。而另外一方面，由于宇宙的膨脹，超新星發(fā)出的光譜會(huì)系統(tǒng)地向紅端移動(dòng)（紅移）。紅移的大小可以揭示自從該超新星爆發(fā)后宇宙的尺度膨脹了多少。因此，有了時(shí)間和膨脹尺度的度量，就可以計(jì)算宇宙膨脹的速度以及加（減）速度。1998年，兩個(gè)由天體物理學(xué)家和天文學(xué)家組成的觀測(cè)小組對(duì)這個(gè)關(guān)系進(jìn)行了精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹。這一成果被授予了2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于觀測(cè)表明宇宙在加速膨脹，所以這意味著存在著暗能量，它可以在大尺度上產(chǎn)生排斥的引力。

第二類(lèi)證據(jù)源于宇宙微波背景輻射。這個(gè)輻射是宇宙大爆炸后的殘余輻射，宇宙在大尺度上的吸引和排斥作用導(dǎo)致了它在不同尺度上的能量分布。通過(guò)觀測(cè)這個(gè)能量的分布，可以反過(guò)來(lái)確定宇宙中物質(zhì)的組成。美國(guó)宇航局（NASA）的威爾金森微波各向異性探器（WMAP）和歐洲空間局（ESA）的普朗克（PLANCK）衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)表明，只有假定宇宙中存在大量的暗能量，才能合理解釋觀測(cè)到的結(jié)果。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)和深入研究分別在1978年和2006年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。

第三類(lèi)證據(jù)源于宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的分布和成團(tuán)特性。由于宇宙中吸引和排斥引力的大小直接決定了宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的分布和成團(tuán)的情況，因此可以通過(guò)研究大尺度結(jié)構(gòu)的分布和成團(tuán)特征反過(guò)來(lái)確定宇宙中吸引引力和排斥引力的大小，進(jìn)而確定暗物質(zhì)和暗能量的多少。要確定宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的分布和成團(tuán)特性，就需要對(duì)宇宙中的所有天體進(jìn)行全面分析。

巡天的眼睛

“坐地日行八萬(wàn)里，巡天遙看一千河?！比藗?cè)谇缋实囊雇硖魍麄€(gè)星空，就是日常生活意義下的巡天。然而，科學(xué)意義上的巡天，是指用觀測(cè)設(shè)備將各種天體的亮度和輻射頻率記錄下來(lái)。天文學(xué)史上第一個(gè)大規(guī)模的數(shù)碼巡天項(xiàng)目是斯隆數(shù)字巡天觀測(cè)（Sloan DigitalSky Survey，SDSS）。該項(xiàng)目利用位于美國(guó)新墨西哥州阿帕奇峰天文臺(tái)（Apache Point Observatory）的一臺(tái)直徑2.5米的望遠(yuǎn)鏡，從2000年開(kāi)始巡天拍照。由于望遠(yuǎn)鏡位于北半球，所以SDSS的拍照區(qū)域主要集中于北半天球。SDSS是天文學(xué)史上的一個(gè)劃時(shí)代的項(xiàng)目，是人們第一次對(duì)宇宙進(jìn)行的一個(gè)近乎全景而且精確的記錄。到目前為止，該項(xiàng)目還在繼續(xù)進(jìn)行中。

用通俗的話來(lái)說(shuō)，天文學(xué)家的巡天就是用相機(jī)把天空的每個(gè)區(qū)域都拍下來(lái)。這似乎不是一件難事。是的，如果只是把天空拍下來(lái)，這并不難。難的是如何才能將各種天體的亮度和顏色（光輻射的頻率）精確地測(cè)量出來(lái)。位置和亮度是發(fā)光天體最明顯的兩個(gè)特征。光是波，又是粒子，即所謂的波粒二象性。組成光的粒子，稱(chēng)為光子。不同的發(fā)光體之間的差別，可以通過(guò)它們?cè)趩挝粫r(shí)間里面發(fā)射出來(lái)的光子的數(shù)量以及這些光子的能量（頻率）分布來(lái)度量。

在天文學(xué)上，傳統(tǒng)的做法是用視星等（apparent magnitude）來(lái)描述在單位時(shí)間單位面積上接收到該天體發(fā)出的光子數(shù)量。由于光子數(shù)量通常是巨大的，所以在定義視星等的時(shí)候，應(yīng)對(duì)光子數(shù)目取對(duì)數(shù)。至于光子的頻率分布，則意味著需要知道在不同頻率上的光子數(shù)目。在實(shí)際操作中，需要將頻率分成多個(gè)區(qū)間，然后測(cè)量在這些區(qū)間內(nèi)光子的數(shù)量。通曉微積分的人都知道，如果將連續(xù)的頻率細(xì)分到足夠小的區(qū)間里，就可以得到足夠精確的頻譜分布。然而，要實(shí)際做到這一點(diǎn)，需要通過(guò)光譜儀對(duì)每個(gè)天體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。如果要以現(xiàn)有的技術(shù)測(cè)量所有的天體，花費(fèi)的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一萬(wàn)年，這當(dāng)然是不可行的。為此，天文學(xué)家采取了一個(gè)折中方案，也就是直接在相機(jī)鏡頭前加一個(gè)濾光片，這樣只有在一定頻率范圍內(nèi)的光子才能通過(guò)。通過(guò)添加不同波段的濾光片，可以得到一個(gè)相對(duì)粗略的能量分布。幸運(yùn)的是，對(duì)于研究大尺度結(jié)構(gòu)，這個(gè)粗略分布已經(jīng)足夠了。

下面來(lái)具體討論如何精確確定一個(gè)給定頻段的天體的亮度問(wèn)題。

要精確確定天體的亮度，并非一件容易的事情。在相機(jī)發(fā)明之前，人類(lèi)對(duì)天體也進(jìn)行著長(zhǎng)期的觀測(cè)。當(dāng)時(shí)。對(duì)于天體的亮度只能通過(guò)肉眼進(jìn)行辨別和估測(cè)。由于每個(gè)個(gè)體對(duì)亮度的感覺(jué)有著較大的差異，難以得到天體亮度的客觀精確記錄。自從膠片相機(jī)發(fā)明以來(lái)，天文學(xué)家很快認(rèn)識(shí)到，通過(guò)比較在相同曝光時(shí)間下各種天體在膠片上面的明暗程度，可以相對(duì)客觀地標(biāo)定天體的亮度。然而，這依然不夠精確，因?yàn)槟z片本身存在著一定的不確定性。膠片一般是通過(guò)溴化銀在光的作用下的化學(xué)反應(yīng)來(lái)記錄光子多少的。然而溴化銀對(duì)于光子數(shù)量的反應(yīng)并不是一個(gè)線性的關(guān)系，況且在現(xiàn)實(shí)中也很難保證溴化銀特性的穩(wěn)定。此外，即使拋開(kāi)膠片沖洗各個(gè)環(huán)節(jié)引入的不確定性，定量地比較照片的明暗程度，也是一件難以操作的事情。

半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展催生了電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD），這也就是現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)里面用來(lái)把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。這一發(fā)明提供了新的記錄光子的方式。在可見(jiàn)光波段，每個(gè)光子幾乎可以確定地在CCD里面激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)。所謂“幾乎”，是指并不是每個(gè)光子，而是大部分光子都能激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)。光子和它所激發(fā)的電子空穴對(duì)的比例，稱(chēng)為量子效率（quantum efficiency），CCD的品質(zhì)決定了量子效率的大小。這是描述CCD器件性能的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)?，F(xiàn)在高品質(zhì)CCD的量子效率一般可以達(dá)到95%。由于知道每個(gè)電子的帶電量，所以可以通過(guò)電容器把電子的數(shù)目轉(zhuǎn)化成可直接測(cè)量的電壓。這樣，通過(guò)測(cè)量電壓，可以確定電子數(shù)目，進(jìn)而根據(jù)量子效率，就確定了相應(yīng)的光子數(shù)目。通過(guò)CCD，對(duì)光子數(shù)的記錄已達(dá)到了幾個(gè)光子的精度，這極大地提高了對(duì)天體亮度的測(cè)量精度。同時(shí)，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以很好地控制CCD的穩(wěn)定性，而不再需要擔(dān)心不同批次的CCD所導(dǎo)致的差異。CCD的發(fā)明，對(duì)記錄光信號(hào)產(chǎn)生了革命性的影響，使得大規(guī)模的天文巡天拍照成為可行。CCD的發(fā)明者也于2009年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巡天的眼睛，也從肉眼進(jìn)化到基于膠片相機(jī)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，最終到基于CCD數(shù)碼相機(jī)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

暗能量巡天

由于宇宙的膨脹，越早期的宇宙距離地球越遠(yuǎn)。距離越遠(yuǎn)的天體所發(fā)出的光到達(dá)地球時(shí)，它的光譜紅移的幅度也就越大。所以，一個(gè)早期宇宙中的星系，它發(fā)出的可見(jiàn)光波段的光，到達(dá)地球時(shí)，就已經(jīng)移動(dòng)到了近紅外波段。剛才提到了CCD的量子效率，但是并沒(méi)有討論不同頻率光子對(duì)量子效率的影響。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子更容易產(chǎn)生衍射從而難以激發(fā)電子空穴對(duì)。所以，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，CCD的量子效率將會(huì)越低。要觀測(cè)早期的宇宙，需要對(duì)紅光更為敏感的CCD?？梢酝ㄟ^(guò)增加CCD的厚度來(lái)增加光子激發(fā)電子空穴對(duì)的機(jī)會(huì)，也就是提高量子效率。SDSS項(xiàng)目所用到的CCD，在近紅外波段，量子效率過(guò)低，這導(dǎo)致它對(duì)于高紅移天體的亮度測(cè)量會(huì)有較大的誤差。為了能對(duì)更早期的宇宙進(jìn)行精確測(cè)量，需要有近紅外波段量子效率更高的數(shù)碼相機(jī)，這促成了DES項(xiàng)目的誕生。所以，DES可以看作是SDSS的2.0版，它將對(duì)更早期的宇宙進(jìn)行精確測(cè)量。

上面著重介紹了精確測(cè)量天體亮度的一個(gè)必要的技術(shù)手段，即選用CCD作為記錄光子的器件。但是在現(xiàn)實(shí)世界中，要精確測(cè)量天體亮度，尚需其他的條件。比如，要有一架性能卓越的天文望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡上方的大氣層應(yīng)當(dāng)干燥而潔凈，夜空環(huán)境還要沒(méi)有光污染等等。在2005年左右，以美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)為主的一批科學(xué)家，得到了一條消息：位于智利的托洛洛山美洲天文臺(tái)（CeYFo Tololo Inter-AmericanObservatory，CTIO）直徑4米的布蘭科（Blanco）望遠(yuǎn)鏡，想要更換一架新的數(shù)碼相機(jī)。同時(shí)，天文臺(tái)開(kāi)出了一個(gè)條件，即如果有誰(shuí)可以提供一架新相機(jī)，那么天文臺(tái)可以在連續(xù)五年的時(shí)間里每年提供大約三個(gè)半月的觀測(cè)時(shí)間。換句話說(shuō)，就是用相機(jī)換取觀測(cè)時(shí)間。在天文學(xué)研究中，擁有大型望遠(yuǎn)鏡的使用時(shí)間，就意味著掌握了通往新發(fā)現(xiàn)大門(mén)的鑰匙。因此，大型望遠(yuǎn)鏡使用時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)，是搶占天文發(fā)現(xiàn)制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，也是天文學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。對(duì)于大多數(shù)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，能得到觀測(cè)時(shí)間，就像得到了與夢(mèng)中情人相見(jiàn)的機(jī)會(huì)一樣。機(jī)不可失，時(shí)不我待，科學(xué)家們開(kāi)始積極尋求經(jīng)費(fèi)來(lái)研制相機(jī)。最終，在美國(guó)能源部和國(guó)家自然基金的支持下，DES應(yīng)運(yùn)而生。這個(gè)項(xiàng)目通過(guò)研制一個(gè)新的數(shù)碼相機(jī)來(lái)?yè)Q取在五年內(nèi)每年大約三個(gè)半月的觀測(cè)時(shí)間。DES主要通過(guò)超新星以及大尺度結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)暗能量進(jìn)行研究。具體來(lái)說(shuō)，將通過(guò)超新星、引力透鏡、星系團(tuán)的數(shù)量及分布和重子聲學(xué)振蕩這四個(gè)探測(cè)手段來(lái)對(duì)暗能量進(jìn)行研究。該項(xiàng)目已吸引了200多位來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、西班牙、巴西與德國(guó)的科學(xué)家參與。

在高能物理和天體物理領(lǐng)域，高等院校在美國(guó)的科研構(gòu)架體系中，主要以培養(yǎng)人才，進(jìn)行偏理論性或者小規(guī)模實(shí)驗(yàn)的研究為主。如果要進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，那么一般由國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭進(jìn)行。理由很簡(jiǎn)單，高校通常難以聘用大量的非教學(xué)人員，而國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擁有大量的工程師和技術(shù)人員，使得大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行。美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立于1967年，是隸屬于美國(guó)能源部的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。它一直以高能加速器聞名于世，并且曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)底夸克（1977年）和頂夸克（1995年）。由于高能加速器實(shí)驗(yàn)的花費(fèi)越來(lái)越高，從]990年代開(kāi)始，美國(guó)政府對(duì)于高能加速器的投入開(kāi)始逐步減少。在經(jīng)費(fèi)削減的大背景下，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始積極尋找其他的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在1990年代，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室參與了SDSS項(xiàng)目，并對(duì)該項(xiàng)目的最終實(shí)施起到了至關(guān)重要的作用。在DES中，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)了項(xiàng)目核心的大型數(shù)碼相機(jī)的研制。這個(gè)相機(jī)取名為暗能量相機(jī)（Dark Energy Camera，DECam），大約從2006年開(kāi)始正式研發(fā)，一直到2011年完成，前后總共耗資3000多萬(wàn)美元。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主要負(fù)責(zé)相機(jī)的整體設(shè)計(jì)以及核心部件CCD成像儀的研制。這個(gè)成像儀的焦平面由62塊2000x4000像素的成像CCD以及12塊2000×2000像素的用于引導(dǎo)和聚焦的CCD構(gòu)成。相機(jī)總共有5.7億像素，每張照片的視場(chǎng)為3平方度。除了成像儀之外，相機(jī)的其他部件由其他合作機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)研制，如鏡頭來(lái)自英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院，快門(mén)來(lái)自德國(guó)邦恩大學(xué)，聚焦調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)自意大利的公司，濾光片由日本公司制造，濾光片更換系統(tǒng)由美國(guó)密歇根大學(xué)研制，軟件系統(tǒng)由美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研制，如此等等。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試之后，各個(gè)部件于2011年11月運(yùn)抵智利的CTIO。經(jīng)過(guò)近10個(gè)月的緊張工作，相機(jī)安裝完畢，并且于2012年9月12日迎來(lái)了第一次拍照。隨后，進(jìn)行了大約一年左右的調(diào)試和試運(yùn)行，巡天拍照于2013年9月正式開(kāi)始。取決于不同的頻段，每次拍照的曝光時(shí)間大約是100秒左右。每張照片大約是1.2吉字節(jié)（GB），每晚大約拍照400多張。所有這些照片（大約每晚500GB的數(shù)據(jù)）都被傳送到位于伊利諾伊州的美國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心（National Center for Supercomputing Application，NCSA）進(jìn)行處理。

DES將用歷時(shí)五年累計(jì)525個(gè)夜晚的觀測(cè)時(shí)間對(duì)夜空進(jìn)行拍照，將在g，r，i，z，Y五個(gè)波段覆蓋5000多平方度的天空（占全部天空的1/8），巡天涵蓋的星系直至24視星等，紅移值直到1.2。巡天結(jié)束時(shí)，預(yù)計(jì)將拍攝3億多個(gè)星系，4000多個(gè)超新星以及10萬(wàn)多個(gè)星系團(tuán)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，預(yù)計(jì)最終可以把暗能量的狀態(tài)方程參數(shù)的測(cè)量精度提高3-5倍，從而使人們能進(jìn)一步了解暗能量的本質(zhì)。此外，DES的大數(shù)據(jù)還將幫助人們更好地了解自己的銀河系，了解更早期宇宙的星系演化等一系列重要的天文學(xué)和天體物理問(wèn)題。

不是意外的意外發(fā)現(xiàn)

利用DES公布的第一年資料分析已得到了一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。DES的數(shù)據(jù)表明存在8個(gè)新的圍繞銀河系運(yùn)轉(zhuǎn)的矮星系。由于矮星系中包含大量的暗物質(zhì)，這次發(fā)現(xiàn)對(duì)天文學(xué)和物理學(xué)都有重大價(jià)值。

新發(fā)現(xiàn)的矮星系位于南半球星空，靠近大小麥哲倫星云，大小麥哲倫星云是銀河系中最大也是最著名的矮星系。矮星系是宇宙中已知的最小星系，與包含數(shù)千億顆恒星的銀河系相比，最小的矮星系只包含5000顆恒星，因而極其暗淡。標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型預(yù)測(cè)銀河系周?chē)嬖跀?shù)百個(gè)矮星系，但其亮度低、體積小，很難被找到。矮星系由99%的暗物質(zhì)和1%的普通物質(zhì)組成，它們被認(rèn)為是研究暗物質(zhì)的理想目標(biāo)。看不見(jiàn)的暗物質(zhì)占宇宙總物質(zhì)與能量的27%，只有通過(guò)它的引力相互作用才能感受到它的存在。新發(fā)現(xiàn)的矮星系亮度只有銀河系的十億分之一，質(zhì)量只有銀河系的百萬(wàn)分之一。這些矮星系，離地球最近的約9.5萬(wàn)光年。正受到銀河系巨大引力的牽扯；距離最遠(yuǎn)的約120萬(wàn)光年，位于銀河系的邊緣，將會(huì)被銀河系吞噬。劍橋大學(xué)科波索夫（S.Koposov）教授說(shuō)：“在如此小的天空區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)這么多的衛(wèi)星星系，完全出乎我們的意料?！?/p>

DES項(xiàng)目是一個(gè)針對(duì)暗能量的巡天計(jì)劃，卻得到了暗物質(zhì)的新證據(jù)。在科學(xué)史上種瓜得豆的事例并不罕見(jiàn)，然而意外發(fā)現(xiàn)的矮星系并不能算一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。更確切地說(shuō)，DES不是僅僅對(duì)暗能量的巡天，而是對(duì)宇宙所有組分的巡天，所以DES的大數(shù)據(jù)會(huì)幫助人們更好地了解銀河系。這次發(fā)現(xiàn)不過(guò)是DES項(xiàng)目小試牛刀罷了，DES項(xiàng)目已再一次吹響了人類(lèi)對(duì)更早期宇宙探索的號(hào)角，也必將導(dǎo)致新一輪的天文大發(fā)現(xiàn)。

“放眼世界”這句話。說(shuō)明了眼睛對(duì)人認(rèn)識(shí)世界的重要性。望遠(yuǎn)鏡則是人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的“眼睛”。當(dāng)人們可以看得更遠(yuǎn)、更清晰的時(shí)候，將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的宇宙奧秘。正如人類(lèi)在15世紀(jì)對(duì)地球進(jìn)行過(guò)的探索歷程那樣，技術(shù)的進(jìn)步，使得人們?cè)?1世紀(jì)可以在不同的電磁波段，從地面到太空，對(duì)宇宙進(jìn)行前所未有的全景式的探索。人類(lèi)的智慧，將不再停留于理解孕育自身的地球，而是去探究更加廣袤、奧妙的宇宙。SDSS和DES僅僅是拉開(kāi)了這一偉大探索的帷幕，計(jì)劃中的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey Telescope，LSST）、寬視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide-Field Infrared SurveyTelescope，WFIRST）、韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James WebbSpace Telescope，JWST）、三十米望遠(yuǎn)鏡（Thirty MeterTelescope，TMT）、大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（Giant MagellanTelescope，GMT）將成為宇宙大發(fā)現(xiàn)的主力軍。

15世紀(jì)的地理大發(fā)現(xiàn)早已成為歷史，再也沒(méi)有第二個(gè)地球供人們?nèi)ミM(jìn)行大發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在，歷史的機(jī)遇再次擺到了我們面前，難道我們還能期待另外一個(gè)宇宙供我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)嗎？有志于科學(xué)事業(yè)的青年，加入到宇宙學(xué)研究隊(duì)伍中去，讓我們一起擁抱宇宙吧！

關(guān)鍵詞：暗能量巡天觀測(cè) 宇宙 超新星 引力 電荷耦合器件 布蘭科望遠(yuǎn)鏡