耗時(shí)20年繪制的宇宙三維圖涵蓋數(shù)百萬個(gè)星系，并說明110億年來的空間膨脹過程，將有助于解答大尺度結(jié)構(gòu)、暗能量這類關(guān)于整個(gè)宇宙的最大謎團(tuán)。

正如知名科幻作家亞當(dāng)斯（Douglas Adams）在《銀河便車指南》（The Hitchhikers Guide to the Galaxy）中寫道：太空很大……非常遼闊，廣袤無垠，大得超乎你想像。我們兩人和許多天文學(xué)家都致力于在最大的尺度范圍內(nèi)繪制宇宙全圖，希望能借此理解宇宙的大小與其運(yùn)作方式。

我們所繪制的宇宙圖對(duì)研究驅(qū)動(dòng)宇宙歷史的物理學(xué)至關(guān)重要。2020年7月時(shí)，我們兩人所參與的史隆數(shù)位巡天（Sloan Digital Sky Survey）計(jì)畫，耗時(shí)20年制作出有史以來最大的宇宙物質(zhì)分布圖，納入我們的周遭環(huán)境、空間最遠(yuǎn)的盡頭，以及介于其間的一切事物。這幅三維圖展現(xiàn)了400多萬個(gè)星系的位置，它們有如路標(biāo)般坐落在數(shù)十億光年的范圍內(nèi)，可一直回溯至宇宙誕生的最早期年代。

這幅宇宙圖顯示星系并非隨機(jī)散布于空間之中，而是以某種模式聚集在一起：由星系組成的長(zhǎng)絲狀與二維片狀構(gòu)造，分布在某些區(qū)域里；其他區(qū)塊則由只含少量星系的黝黑空洞（void）所占據(jù)?？茖W(xué)家相信這些模式早已形成于星系誕生前，在大霹靂后不到10億年就開始增長(zhǎng)。藉由盡可能繪制涵蓋最多歷史的宇宙圖，得以記錄這些模式的增長(zhǎng)過程，并推論出主導(dǎo)其演變的基本規(guī)律。這幅星系分布圖將提供關(guān)鍵訊息，以厘清諸如宇宙的幾何形狀、驅(qū)動(dòng)空間加速膨脹的暗能量本質(zhì)等物理學(xué)中一些最大的謎團(tuán)。

選定標(biāo)準(zhǔn)量尺

史隆數(shù)位巡天使用位于美國(guó)新墨西哥州阿帕契峰天文臺(tái)的史隆基金會(huì)望遠(yuǎn)鏡，這項(xiàng)大型觀測(cè)計(jì)畫含括擴(kuò)大重子振蕩光譜調(diào)查（extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eBOSS）及其先前項(xiàng)目BOSS，針對(duì)所謂的重子聲波振蕩（baryon acoustic oscillation, BAO）效應(yīng)，觀測(cè)散布在整個(gè)空間之中的星系排列型態(tài)。為了理解這種排列型態(tài)，必須把從大霹靂后的瞬間開始、宇宙在最初大約38萬年里的演變納入考量。起初，宇宙經(jīng)歷一段稱為暴脹（inflation）的極速膨脹期；在那段期間，原本只有次原子大小的宇宙急劇增長(zhǎng)，在10-32秒內(nèi)就增長(zhǎng)成一顆高爾夫球的尺寸。在此膨脹過程中，宇宙能量分布里微小的量子漲落（quantum fluctuation）延展成大尺度的起伏：能量密度較大的區(qū)域逐漸吸引越來越多的物質(zhì)，其他區(qū)域則變成空洞。在接下來138億年里，這些物質(zhì)密集處形成了現(xiàn)今觀察到的長(zhǎng)絲狀、片狀和團(tuán)狀的星系群。天文學(xué)家稱此過程為結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)。

BAO模式源自于光和物質(zhì)的交互作用，影響了結(jié)構(gòu)的形成。宇宙里的物質(zhì)可分為兩類：一類是可與光發(fā)生交互作用的物質(zhì)，也就是日常生活中熟悉的普通物質(zhì)；另一類則是不與光發(fā)生交互作用的暗物質(zhì)。在高溫致密的早期宇宙之中，由于普通物質(zhì)粒子和光子經(jīng)常相互碰撞，基本上緊黏在一起，而暗物質(zhì)可以自由獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。重力吸引暗物質(zhì)聚積在稠密區(qū)域的中心，但是試圖向外運(yùn)動(dòng)的光所產(chǎn)生的壓力牽引著普通物質(zhì)，不讓它沉淪其中。

普通物質(zhì)和光在大霹靂后約38萬年才分道揚(yáng)鑣，當(dāng)時(shí)的宇宙因膨脹而冷卻，使粒子得以擴(kuò)散，光子從此可自由傳播?，F(xiàn)今在天空中仍可觀測(cè)到的宇宙微波背景（cosmic microwave background, CMB）輻射，也就是宇宙首次釋出的光。一旦光與物質(zhì)不再彼此束縛，大量普通物質(zhì)就留在暗物質(zhì)密集區(qū)的球形外殼中。雖然重力把普通物質(zhì)與暗物質(zhì)都吸引到這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中，但此過程在宇宙的物質(zhì)分布上留下了一種特殊跡象：每個(gè)極度致密的核心都由球形外殼所包覆。這種排列型態(tài)是BAO的特征，其大小稱為共動(dòng)聲界（co-moving sound horizon），可在這幅星系分布圖中看見。

我們團(tuán)隊(duì)把此特征當(dāng)做測(cè)量宇宙距離的簡(jiǎn)便方法，也就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)量尺（standard ruler）。由于這些排列型態(tài)幾乎都在同一時(shí)間以相同方式產(chǎn)生，所以核心與球殼的內(nèi)在尺寸都一致每個(gè)核心與球殼相距4.9億光年。但在星系分布圖上看到這些形狀時(shí)，其大小稍有差異，這取決于它們與地球相隔多遠(yuǎn)。因此，測(cè)量它們?cè)谝箍罩械耐庥^大小，并將其與所知的內(nèi)在尺寸相比，就可得知它們與地球之間的距離。

記錄宇宙時(shí)光

運(yùn)用這些標(biāo)準(zhǔn)量尺距離的計(jì)算結(jié)果，便能測(cè)量一組星系群的平均距離，但它們無法獨(dú)自提供有用的宇宙學(xué)訊息，因此需要關(guān)于星系退行速度的其他資訊。史隆數(shù)位巡天擁有極佳的設(shè)備來記錄這項(xiàng)數(shù)據(jù)，除了對(duì)天空的1/3區(qū)域拍攝深層影像之外，還運(yùn)用可把天體發(fā)出的光提取出不同波長(zhǎng)的光譜技術(shù)，來觀測(cè)200萬個(gè)星系和類星體（這類星系的明亮核心都有一個(gè)黑洞）。這些光譜測(cè)量可顯現(xiàn)星系遠(yuǎn)離的速度，遠(yuǎn)離速度取決于光從發(fā)出至觀測(cè)期間的宇宙膨脹程度。由于空間膨脹拉伸了波長(zhǎng)，使光變得更紅，天文學(xué)家把此現(xiàn)象稱為紅移。

BOSS和eBOSS每一次觀測(cè)時(shí)會(huì)搜集1000個(gè)天體的光譜資料，每個(gè)天體都有其專屬光纖電纜，而每條光纜皆連結(jié)至望遠(yuǎn)鏡焦平面上的一塊鋁板。在即將進(jìn)行夜間觀測(cè)時(shí)，各小組在特制的筒子里裝上八塊這樣的板子，并手動(dòng)把一根根光纖分別塞進(jìn)1000個(gè)孔洞。兩名技術(shù)人員大概需花半小時(shí)來塞好一塊板子。2012年3月是史隆數(shù)位巡天開始觀測(cè)以來成效最佳的一個(gè)月，當(dāng)時(shí)我們用這些板子觀測(cè)了10萬3000個(gè)光譜。

我們從世界各地望遠(yuǎn)鏡所拍攝的影像數(shù)據(jù)中，事先挑選了目標(biāo)星系，而技術(shù)人員使用華盛頓大學(xué)一部由電腦控制的機(jī)器在鋁板上鉆孔。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向天空中某特定區(qū)域進(jìn)行一小時(shí)的觀測(cè)時(shí)，每個(gè)孔洞內(nèi)的光纖就可完美對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)星系或類星體的中心。

在2009年12月至2019年3月期間的每個(gè)夜晚，只要月光不格外明亮，望遠(yuǎn)鏡就會(huì)記錄一塊天區(qū)，光纖把落在焦平面上的光輸入兩具攝譜儀。這些現(xiàn)代的偵測(cè)器數(shù)位相機(jī)可測(cè)量光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。透過這些數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出每個(gè)星系的紅移。