一張宇宙暗物質的地圖─觸碰虛空：《萬物的終結》選摘（4）

如果我們想瞭解有關宇宙遙遠未來的任何信息，我們最好先解決房間裡那頭巨大、看不見、不斷膨脹的殺人象—暗能量。當1998 年發現宇宙加速膨脹時，新典範將我們直接置於暗能量主導的未來之路：宇宙將逐漸變得更空、更冷、更黑暗，直到所有結構衰變，到達最終的熱寂。但這只是一種推斷，其前提是暗能量是一個不變的宇宙常數。正如之前所討論的，如果導致宇宙加速的是幻影暗能量，或者它會隨時間而發生某種變化，那麼對宇宙的影響就會截然不同。

不幸的是，在觀察方面，暗能量並沒有給我們太多的線索。據我們所知，它是不可見的，在實驗室的實驗中無法檢測，完全均勻地分布在太空中，只有在比銀河系大得多的尺度上透過其間接影響，才能真正讓人注意到。整體而言，我們可以衡量兩樣東西。第一個是宇宙的膨脹歷史，目前我們主要透過觀察非常遙遠的超新星，並計算出它們退離的速度來研究宇宙的膨脹歷史。另一個是結構形成的歷史，我們所說的「結構」通常指的是星系和星系團，因為如果你是宇宙學家，所有像恆星和行星這樣的小東西都只是煩人的細節。

想衡量後者要稍微曲折一些，但也可以對大量數據進行創造性的利用。訣竅是在巨大的空間（以及一大片宇宙歷史）中，盡可能獲取最多星系的影像和光譜，並使用統計方法來推斷所有物質如何隨著時間聚集在一起。這兩種測量綜合之後，就可以告訴我們暗能量的空間拉伸特性如何影響宇宙整體，以及它阻礙物質聚集在一起並形成星系、星團和我們等事物的程度。

當你只靠衡量兩樣東西來判定宇宙的整體命運時，投入大量資金把這種衡量做到最好也就不足為奇了。過去幾十年來，人們對在科學案例中主打「暗能量」的新望遠鏡和探測的興趣激增。有些是針對如何善加利用膨脹和結構生長測量，以確定狀態參數w 的暗能量方程式（在第五章中討論過）而設計的。如果w恰恰等於-1，無論現在或過去，我們擁有同一個宇宙常數；如果有任何可測量的差異，我們就會得到很多諾貝爾獎。但即使你不關心暗能量，或者認同我們注定永遠局限於普通宇宙常數的悲觀觀點，暗能量調查仍會受各種天文學家的歡迎，因為它們兼負多功能的星系收集任務。

即將啟用的大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic SurveyTelescope，LSST），最近更名為魯賓天文台（Vera C. RubinObservatory，VRO），就是一個很好的例子。VRO 位於智利一座沙漠高山上，是一座8.4 公尺高的望遠鏡，它將拍攝數百萬顆超新星和100 億個星系的影像，每隔幾天就會拼湊出整個南部天空的新影像。這種重複覆蓋對於超新星研究非常有用，因為它可以讓我們看到每顆超新星在爆炸可見的幾天內亮度的升降。但它對於研究星系也很有用，因為這意味著你可以把一夜又一夜拍攝下的影像疊加，看到比任何其他同類調查更暗淡、更遙遠的星系。 （相關報導： 科學家警告：「足球場大小」的小行星2032年可能撞地球，威力足以摧毀大城市 ｜ 更多文章 ）

無論還有什麼其他用途，VRO 的宇宙學價值說再多都不為過，因為擁有大量精細的數據，能大幅提高發現新的和令人驚訝的東西的機會。佩里斯表示，VRO將改變局面。「我們將以一種與以前不同的方式觀看宇宙，」她說。「每當我們以前所未有的方式觀察宇宙時，我們都會學到新東西。」VRO 並不是唯一一個令人興奮的新觀測計畫。還有大量其他新的望遠鏡和探測器即將出現，每個都準備以我們從未見過的方式向我們展示宇宙。其中最受期待的是一類新型太空望遠鏡，像是韋伯太空望遠鏡（James Webb SpaceTelescope，JWST）、歐幾里德（Euclid）和廣域紅外線巡天望遠鏡（WideField Infrared Survey Telescope，WFIRST），WFIRST 將利用紅外光拍攝深空影像和光譜，幫助我們看見極遙遠的星系，因為它們的光已經完全延伸到光譜的可見範圍之外。

甚至宇宙微波背景觀測站也加入了暗能量遊戲。我們在第二章看到，研究宇宙微波背景如何告訴我們早期宇宙和宇宙結構的起源。當宇宙微波背景光發出時，暗能量在宇宙中完全不重要，它的影響完全被物質的極端密度和輻射所掩蓋。因此宇宙微波背景觀測可以提供關於暗能量當今運作方式的線索，這一點可能會令人驚訝。關鍵在於，我們想要研究的所有宇宙結構—每個星系和星系團—都在我們和宇宙微波背景之間，而這些天體中的每一個，都會透過其重力稍微扭曲它所在的空間。

想像一下，你有一張快照，是俯視清澈池底的鵝卵石。即使你不知道每顆卵石的確切位置，也不知道它們的確切形狀，你也可以透過觀察卵石外觀的扭曲，來區分靜止的水和略帶漣漪的水，因為你知道鵝卵石通常該是什麼樣子。以類似的方式，因為我們對宇宙微波背景瞭解得非常清楚，所以至少在統計意義上，我們可以看到由於其間散落的所有物質，而導致宇宙微波背景光線的微小扭曲。這稱為「宇宙微波背景透鏡效應」（CMBlensing），是研究宇宙結構成長的絕佳工具。新的宇宙微波背景天文台將幫助我們完善該方法，而我們早已使用宇宙微波背景透鏡，繪製了可觀測宇宙中所有暗物質的地圖。誠然，這張地圖是一種解析度極低而模糊的地圖，就像一張用手指畫的、從記憶中再現的世界地圖，但還是很驚人，我們居然可以做到這樣。

多倫多大學的宇宙學家赫洛澤克（Renée Hložek）利用宇宙微波背景和星系巡天來瞭解我們的宇宙學模型，而她對暗能量和宇宙的最終命運特別感興趣。她指出，隨著每個數據集的改進，VRO 和新的宇宙微波背景觀測站之間的數據結合，將讓數據的威力變得格外強大。使用一種稱為互相關的技術，我們可以將我們所瞭解的星系目錄中單一天體的位置，與我們從宇宙微波背景透鏡效應所得知的最大規模物質分布進行比較。這可以為我們提供更精確的結果，使我們更難錯過任何與一致模型的偏差。赫洛澤克說，利用重力變化來模擬暗能量影響的替代理論在綜合數據中看起來會非常不同。「基本上，我想我們會把能藏的地方都查光。」

如果你有數十億個星系的影像，你還能看到什麼酷東西？其中一大看點是強烈的重力透鏡效應—星系或星系團扭曲其所在的空間，使來自正後方天體的光被分成多個影像，或圍繞它散開成光弧。想像一下透過空酒杯的底部觀察蠟燭—曲面的玻璃使光線散開成寬闊的弧形或圓形，你看到的不會只有一束火苗。重力透鏡效應也類似，各個影像沿著不同路徑穿過扭曲的空間。因此，舉例來說，如果一顆超新星在透鏡星系中爆炸，它可能會先出現在一張影像中，然後才出現在另一張影像中，因為構成第二張影像的光需要更長的路徑才能到達。

除了是一個絕佳的派對炫技之外，3 像這樣的時間延遲測量，為我們提供了一種測量宇宙膨脹率的新方法，因為所涉及的距離非常大，所以膨脹會成為計算中的重要因素。而我們迫切需要新的方法來衡量擴張率，因為目前的方法給了我們意想不到的不同答案。

使用超新星測量膨脹率（也稱為哈伯常數）會給我們一個數字，透過宇宙微波背景測量又會給出另一個數字。許多其他測量方法都未能解決這一矛盾，最終我們通常會偏向某一方（最近的一項結果發現了介於兩者之間的情況，但卻是以兩邊都不符合的方式，根本無濟於事）。重力透鏡時間延遲測量，也許能解決這個問題。因為有了VRO 以後，我們可運用的系統數量將從幾個大幅增加到數百個。雷射干涉重力波天文台等儀器的重力波測量也可以提供一些線索，最終可能在未來十年左右，達到解決問題所需的準確度。 （相關報導： 科學家警告：「足球場大小」的小行星2032年可能撞地球，威力足以摧毀大城市 ｜ 更多文章 ）

＊作者凱蒂•麥克（Katie Mack），天體物理學家，宇宙災難鑒賞家，圓周理論物理研究所宇宙學和科學傳播領域的首任霍金主席，加拿大高等研究院全球學者，北卡羅來納州立大學物理學教授。本文選自作者著作《萬物的終結：宇宙毀滅的5種方式》（鷹出版）