陈学雷丨聆听宇宙“天籁”，探寻暗物质之谜

“天籁”是一种宇宙的韵律，

我们想要探测宇宙大爆炸产生的声音，

然后用它去理解暗能量到底是一种什么东西。

陈学雷 · 中国科学院国家天文台研究员 宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家

格致论道第22期 | 2017年11月25日 北京

宇宙是怎样开始的呢？有的朋友说，宇宙开始于一个大爆炸。

这是上个世纪一些科学家提出来的一种大胆猜想，后来这种理论被观测证实了。

宇宙的未来是怎样的？

既然宇宙开始于大爆炸，那么它有没有结束？未来是什么样子呢？

其实提出宇宙大爆炸理论的这些科学家也做了一些预言，他们假定宇宙中充满了各种物质，然后使用爱因斯坦的广义相对论去预测宇宙的命运。

大家可以看到左面展示的是大爆炸的过程，而右面的这幅图上展示的是对未来的预测。

宇宙经过大爆炸以后，它就处在膨胀中，由于物质万有引力的作用，它会使膨胀慢慢变慢，变慢以后会怎么样呢？

这就取决于这里面物质的多少，和一开始膨胀的速度之间的关系。

如果这个膨胀的速度一开始不是那么大，而物质很多，那么造成的结果就是它膨胀到一定程度以后，膨胀就会慢慢地减速，最后减到一定程度，很可能就停止了膨胀。然后又开始收缩，收缩到一定程度以后，最后就进入了一个“大塌缩”的状态。

大塌缩之后宇宙会变成什么样子?目前并不知道，因为到那个时候，所有的能量和密度都太高了，现在的理论都无法描述。

如果宇宙一开始的时候膨胀速度比较快，而这个物质并没有那么多，它也会使宇宙的膨胀减速，但是减速可能不足以使它停下来，这样的话宇宙就会一直的膨胀下去。

也就是这幅图里右边的两种图景——它一直膨胀，但是减慢的速度可能没有那么明显。

这就是过去，大家对宇宙的未来的认识，那是不是这样子呢？到底这几种情况哪一种是对的呢？

加速膨胀的宇宙

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在上个世纪的八十年代，有一些科学家想要解决这个问题，但是都面临一个很大的困难，就是我们怎么才能判断到底是哪一种情况呢？

这个办法就是测量不同时刻宇宙膨胀的速度。

左边这幅图上展示的是日常生活当中很常见的测量速度的方法。

宇宙学当中的这个情况略有不同，但道理是一样的，就是测量宇宙中的不同时刻，它膨胀到底有多快，然后看看它的速度是怎么变化的。

当然宇宙学当中一个很大的问题在于，我们并不知道怎么样测量这个距离。

自古以来，想要了解天体的距离就是非常困难的。

比如说，我们国家有一个著名的寓言，据说孔子遇到了两个小孩在辩论：太阳到底是在早晨的时候离我们近一些，还是在中午的时候离我们近一些？

两个小孩都提出了一些很好的论据，孔子就没有办法决定了，这就是所谓“两小儿辩日”的故事。

实际上想要测量像太阳这样一个离我们比较近的天体的距离，并不是那么容易，要测量更远处的天体，当然就更难一些。但是科学家还是提出了一些方法。一种办法就是通过所谓“标准烛光”来测量距离。

什么叫标准烛光呢？

在19世纪的时候，人们为了研究光学，发明了一种比较标准的蜡烛，这些蜡烛点出来以后，光的亮度都是一样的。

把它放在不同的距离上，可以看到，越远的蜡烛看上去越暗一些，这就是标准烛光的作用。

就是我们知道它的绝对发光亮度，又可以测出它看上去有多亮，根据这两者之间进行比较，就可以知道天体到底有多远了。

问题在于我们有没有这样的蜡烛呢？

科学家们找到了一种这样的“蜡烛”，这个“蜡烛“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，亮的大多是离太阳系比较近的一些恒星。有时这些恒星会突然发生爆炸——爆炸往往是因为到了它的寿命尾期，或者由于它的核心塌缩，或者是由于吸积了别的物质。

在宋朝的1054年，大家突然发现白天里出现了一颗星，非常非常亮，在白天都可以清楚地看到。

这颗星就是著名的1054年超新星，它遗留下来的爆炸痕迹今天还可以在天空中看到，就是所谓的蟹状星云。

这颗超新星的爆炸亮度最大的时候，可以达到太阳亮度的100亿倍。

上图的右边，就可以看到，一个星系中一颗超新星爆发以后，它非常非常亮。

虽然它这么亮，但是要在宇宙的距离上看到它，还是很困难的。我们需要在非常远的地方找到这样的超新星。

天文学家在漫天星斗中寻找这种超新星，可能就是有一个地方稍微亮了一点儿，亮的那一点儿实际上就是个超新星。

超新星有不同的种类。其中有一种超新星叫做Ia型的超新星，它的亮度经过一些修正后，可以作为一种标准烛光，并且可以拿它来确定距离。

在20年前，当时国际上有两个相互竞争的科学家团队，这两个团队有一个惊人的发现。

他们当时本来是想要测量宇宙到底是持续地膨胀下去，还是到一定程度以后会减速最后转成收缩，结果他们发现这两种情况都不对。

他们发现的是什么结果呢？

宇宙膨胀是在加速，越胀越快。

这项结果轰动了全球，其中贡献最大的几位科学家也获得了诺贝尔物理学奖。

神奇的暗能量

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这就给我们提出了一个问题，就是为什么宇宙膨胀越来越快？原来这些大爆炸的提出者的预言错了吗？

科学家们进一步提出了各种理论，最终得到了一个结论，就是宇宙当中可能含有大量的暗能量。

现在组成宇宙的普通物质只占我们这个宇宙的5%左右，剩下的95%以上的，很可能都是一些我们不知道的物质，其中有百分之二十多是所谓的暗物质。

虽然暗物质不发光，我们看不到它，但是根据它的引力可以推测，它在星系或者星系团中大量存在，占这个宇宙的百分之二十多。

它的性质还算不难理解，它毕竟是产生万有引力的。

而这个暗能量，它的性质就非常奇异。它的效应是使得宇宙的膨胀加速，也就是说相当于某种万有斥力一样，这是一种很神奇的东西。

正因为它这种神奇，我们给它起了个名字叫做“暗能量”，但是它到底是什么？我们其实并不知道。

有了暗能量以后，宇宙的命运就会发生很大的变化。就是它不但在膨胀，而且膨胀得越来越快。

这样的一个宇宙会出现什么情况呢？

上图就展示了一种可能性，就是我们现在的星系周围还有很多别的星系。

但是宇宙这样膨胀下去，而且越胀越快，别的星系就会越来越少，因为它们都被膨胀到远处去了。

经过900多亿年以后，很可能最后就剩下我们自己孤零零地在这里，周围什么星系也看不见了。

我们这个宇宙可能就会在永恒的孤寂当中结束，就是永远待在这里，但是这也只是一种可能性。

因为我们并不知道暗能量到底是什么，所以它也存在着别的可能性。

有可能暗能量会越来越多。如果越来越多的话，它甚至很可能不光是把别的星系都胀到远处，而是我们自己的这个星系最后没准也会被拉散开，甚至地球会被拉散开，我们的原子会被拉散开，这种就叫做“大撕裂”，这是一种可能性。

在这种情况下，宇宙到底会变成什么样子？我们又不知道了。

还有一种可能就是说，这个暗能量现在在驱动宇宙加速膨胀，但也许在未来某一天，它又反过来会使宇宙收缩，也有这种可能性。

所以这些可能性都是存在的，只有解开宇宙的暗能量之谜，才能够回答宇宙的命运是什么。

如何解开暗能量之谜？

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但是怎么解开这个谜呢？

首先我们需要对它有一个很精确的测量，提供给搞理论研究的人去分析。

实际上这个理论的研究者很多。目前的暗能量理论大概有几百种，这些理论都有一些理论上的出发点，但是都没有充足的证据。所以我们需要观测去解决这个问题。

但是超新星的观测是不是就足够了呢？

其实有很多科学家对这个理论也是质疑的，就是说超新星是一种标准烛光，它爆炸的时候都是同样的亮度，或者不是同样的亮度，但是修正一下可以当做同样的亮度。

但是，也许我们对超新星的认识是不完全的，也许存在着一些奇异的超新星，使我们误解了它。

有没有这种可能性呢？有这种可能性。

我们的办法就是用尽可能多的方式去测量它。其中一种办法就是用宇宙大爆炸时候产生的声波振荡来测量，声波振荡为什么能用来测量这个东西呢？

上图左边有一个水塘，在雨天里落下来雨滴，你会发现上面有很多圆形的波纹，显然波纹是雨滴打到水上激起的，

仔细看的话，这些波纹有大有小。为什么会有大有小呢？因为雨滴落进去的时刻是不一样的。

但是假如一桶水泼到这个湖面上，你会发现所有的水都是同一个时刻落在水上，它激起的波也是同样的，这样的话，所有的圆环都是同样大小的。

这个同样大小的圆环，如果混在一起，可能我们肉眼就已经不好分辨它了。

如果我们有一种数学的方法去对它进行分析，我们还是可以看出来这些圆环到底已经膨胀多大了。

用这种办法，我们提供了一种新的尺子，就是宇宙距离的“标准尺”来测量宇宙，这是另一种测量距离的方法，可以去检验甚至更精密地测量暗能量到底是什么东西。

可能大家会问，我们宇宙中的“水”是什么呢？

水在这个情况下就是星系的分布。

上面这幅图里，我们相当于站在中心,向周围远方望去,宇宙中存在着大量的星系。图中每一个点，无论是桔色的点，还是绿色的点，实际上都代表一个星系。

这些星系分布的状态，如果仔细看，它其实是不规则的。但是它好像又暗含着某种规则，就是它看上去像是一些纤维状的结构，但是我们看不出来有什么特殊之处。

如果把它分解成不同波长的话，你会发现它整体上、在比较大的尺度上（上图左侧），它比较高；在小的尺度上（上图右侧），它又会降下去。

降下去的过程中，它有一些振荡的痕迹。

如果我把整个降下去这部分去掉，你会看到中间的小插图里有振荡的痕迹。

这个振荡的尺度，就告诉我们宇宙不同的距离尺度，用它我们就可以了解宇宙距离是多少，是怎么样膨胀的。

用这种方法得到上图，其中灰色的线代表的是原来用超新星做的观测，蓝色的线代表的是用这种方法测到的观测。

大家会发现蓝色线都在这个灰色的上面，这都是几年以前的一次观测，数据也在不断地变化。

但是超新星和用这种声波振荡的方法测出来的距离，并不完全一致。

这种不完全一致到底仅仅是误差造成的，还是说有什么更深刻的意义？

现在还不了解，还需要更精确地进行观测。

国际上把暗能量作为当前一个很重大的科学问题，有很多很多实验去测量它。

包括未来发射的卫星，比如欧几里得卫星、WFIRST卫星，也包括升级一些地面的大型望远镜去进行观测等，但是这些观测大部分都是在光学波段的。

这样的话也有一个问题，我们看不到暗能量，做的这些观测都是有很多假定的。

那么光学观测看到的都是同样的恒星，会不会又有一些我们不了解的效应在欺骗我们呢？

射电观测，也就是无线电观测，提供了另外一种视角。

上图展示的是光学看到的星系（左）和用射电波段看到的同一个星系（右）。

在无线电波段，或者叫射电波段，我们能看到什么呢？

其实这个宇宙中，最多的一种元素——不是在暗物质和暗能量中——在普通的物质中最多的一种元素是氢，因为氢元素在宇宙大爆炸中就形成了。

这个氢元素会产生一种波长为21厘米的辐射，波长21厘米实际上就是一种微波，这种微波辐射是可以被探测到的。

如果去测量这个辐射的强度，就会看到这个星系里头的中性氢，或者说氢原子是怎么样分布的。

这里展示了一个星系里的氢原子，希望提出用一种新的方法，也就是微波或者是无线电的方法，去进行这样的观测。

当然这个观测难度也是很大的。左边这个图展示的是美国的Arecibo望远镜，它的口径是300米，在之前几十年的时间里，它都是世界第一的射电望远镜。

它观测到的右图，可以看到有很多蓝点是光学观测的，而红点是无线电观测的。

大家会发现红点少很多，而且距离也不是很远，实际上就是说它的灵敏度相对光学来说还是差一些。

那有了更好的望远镜是不是就能够看得更远呢？我们国家建成了世界最大的单天线望远镜FAST。

FAST的设计师南仁东先生已经去世了。

2006年，南仁东先生提出要研制FAST，他也建议用FAST去做宇宙学的研究。

FAST虽然灵敏度提高了，但是看的距离还是有限的。而且，FAST虽然已经很大了，但是如果要去看星系的话，还是看不太清楚，看不太清楚的话会不会有影响呢？

后来再仔细想了一下，发现问题也不大。

上图每一个点代表一个星系，我们去看整个星系的话，如果我们的分辨率不够，就看不出来单个的星系，它们都混在一起了，就成了下面那个图。

虽然看不见单个的星系，但能看到它们整个是怎么样分布的，用这种方法还可以进一步提高灵敏度，看到更远的宇宙。

而且，除了FAST本身可以做这方面的研究以外，研制专门的望远镜，也许用更小成本就可以实现更好的探测。

倾听宇宙的韵律

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这样就提出了“天籁计划”。

这时候国外也有很多人提出了同样的想法，所以我们组成了“天籁联盟”。

“天籁”这个词来自庄子，他在《齐物论》中提到“天籁、地籁、人籁”。“地籁”，像风刮过山谷的声音。“人籁”，像人吹奏乐器的声音。

天籁是什么呢？

“天籁”是一种宇宙的韵律。我们想要探测宇宙大爆炸产生的声音，然后用它去理解暗能量到底是一种什么东西。

到目前为止，全世界有好多个实验在做宇宙距离上的中性氢，但谁也没有能够做到。

为什么呢？

因为如果你去看宇宙远处的中性氢，就像我们左边这个图最后的那个中性氢产生的信号。

在它前面叠加着一个很强的亮光，这个很强的亮光来自银河系，也就是右边图上展示的银河系的前景。银河系前景辐射，比21厘米的信号大概强10万倍左右。

所以我们要想看到这个21厘米信号，就好像我们白天想要看到星星一样。星星在那里，但是它淹没在大气散射的阳光中了。

必须用非常精密的手段把这个东西减掉，才能看到这个信号。那么能不能减掉呢？

幸运的是，大自然还是给了我们一个机会。

因为银河系产生的这种同步辐射，或者说前景辐射，它是一种频谱很光滑的东西，看上去很平滑，是一条直线，或者是稍微有点儿弯曲的光滑的曲线。把这个东西减掉以后，就会展现出氢原子的分布，造成21厘米辐射强度的变化。

所以原则上这是可以做到的，但是它需要非常精密的仪器和复杂的数据处理手段。

从2012年得到了立项支持以后，展开相关研究，在兴隆、内蒙古架设小型的天线进行这方面的实验。

我们还需要选一个最好的站址，因为天文产生的射电信号是非常微弱的，而地面上的像雷达、电视、手机等都会产生很强的干扰信号，我们必须避开这些干扰信号。

怎么样才能找到这种干扰信号最少的地方呢？

当然人烟越稀少产生的信号就越会少，最好周围有一些山遮挡一下。

但是，要是跑到一个无人区的地方，或者是海岛上，也有一个问题，就是还需要提供电力、通讯、道路等等，这是一个综合问题。

我们在全国选了大量的站址，跑了一百多处地方。从站址分布中大家可以看到，有很多分布在内蒙古。

我们一开始想在内蒙古找，原因就在于内蒙古离北京很近，对我们做实验是比较方便的。

但遗憾的是，后来我们发现内蒙古虽然人比较稀少，但地形太平了，一望无际的大草原，电波都可以传过来，所以干扰还是很严重的。

这个图是在FAST望远镜的周边，我们也做过选址，大家可以看到那些绿色的，是我们通过遥感地图找出来的一些小平地。

另外我们也去选了青海、西藏和新疆的很多地方。

我们当时跑这些地方很辛苦，但是也很有意思，见到了很多平时不容易见到的情况。

贵州平塘建设FAST的地方，我们最终还是放弃了，原因在于这个地方它的山很陡，非常非常陡。

我们可以带着设备走到里头，里边也有平地，但是车要翻过这个山就比较困难了，需要专门炸山修路。

这对于FAST这样很大的望远镜来说是可以的，但对于我们一开始做的这种小实验来说，成本太高，周期太长，我们就放弃了。

最后我们去了新疆，我们在新疆也跑了好几十个点。

这是最后我们找到的新疆的巴里坤，它位于新疆的东部，是丝绸之路上的一个小城。

大家有机会可以去瞧一瞧，非常美丽，在这个城的旁边就是雪山，也有汉代和唐代遗留下来的这种“烽燧”。这个地方条件很艰苦，但是好处在于人烟确实比较稀少。

我们最后选站的站址离刚才说的那个小城还有160公里，人非常少，偶尔会碰上一些牧民和骆驼、羊。

我们在当地进行了建设，在建设的过程中，很多同事和同学们付出了艰苦的努力。

图中展示的是我们在安装天线。冬季如果降雪，做这个工作也很困难，当时我们的几位同事步行几公里，进入这个地方去进行维修和测试。

右下看上去穿着打扮像民工的这位，是我们组的吴锋泉副研究员，他写过很多论文。同时他还是一个多面手，能开铲车，也能修得了铲车，还能给我们搭建各种东西。

当时进去做维修很困难，他就自己带几个馕进去。夏天我们场地里有一些野生的沙葱，他就拔几根沙葱用水洗一下，就着馕吃。

我感到非常欣慰的是，我们的同事和同学们没有计较自己的付出，而是一起齐心协力把这个建成了。

这就是我们现在建成的望远镜阵列——天籁阵列。

前面一些圆形的我们叫碟形阵，后面是所谓的柱形阵。

对于这两种阵，大家可能会疑问，为什么要弄出两种来？其实现在也有一些争论，到底哪一种更有优势？我们通过比较来了解。

这个是柱形阵的另外一张照片。

这是我们的站房，在冬天那地方还是比较冷的。

我们在去年首次实现了初光的观测。

大家可以看到，右边就是我们用初光观测产生的天图，左边对应的是其它望远镜之前测到的天图。我们现在只是一次初步的测试，所以这还是一个不太灵敏的结果。

大家会看到，左边天图上的一些东西，右边也都看到了，但是右边还有一些左边没有的。

这当中有的是像移动的源，比如说像太阳造成的，也有的是初步结果里的一些假象，通过进一步的数学处理可以把它去掉。

我们下一步就要研究怎么把它处理掉，获得更好的图像。

如果最后我们取得成功的话，就要把这个阵列扩展出来去做整个的观测。

如果成功的话，我们会非常好地限制暗能量模型，甚至有可能探测到暗能量到底是不是随着宇宙的膨胀在变化。

为什么要去做天籁实验呢？

其实这个实验是有争议的，有很多人不一定完全赞同我的观点，但是我为什么要去做这个试验呢？能发表更多的论文吗？

其实不是，因为原来我做理论的时候，只要动动脑子很快就可以写出论文，而这个是要花很多时间去进行实验的工作。

更容易出成果吗？

当然也不是，这个工作实际上全世界目前都还没有成功，大家都在探索。

能保证取得成功吗？

我们不敢保证，因为有一些21厘米的实验已经进行十多年了，现在也还没有任何结果出来。

我们现在去尝试这个东西，并不知道什么时间能够取得成功。但是我为什么要去做它呢？

因为我觉得非常幸运，它给了我一个探索宇宙和发现新事物的机会。

2015年前，人们第一次看到了引力波，轰动了全球。

但是引力波提出了以后，经过了近百年的尝试。

从六十年代大家就开始去做实验，一直到现在，经过几十年的多少代人的尝试，才最终实现了这样的探测。

实际上我原来还认为很可能我们的实验会比引力波先成功，但现在引力波已经成功了，我们还没有成功，但是我相信，迟早有一天我们也会取得成功的！

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