世界上最勤奋的望远镜

斯隆数字巡天望远镜位于新墨西哥州太阳黑子镇阿帕奇点天文台顶部，海拔9200英尺，其视觉锐利度无法与在地球模糊大气层上方运行的哈勃空间望远镜匹敌。而且，斯隆望远镜的主镜直径仅为2.5米（8英尺），无法观测到夏威夷10米（33英尺）的凯克望远镜能够观测到的极其微弱的物体。斯隆望远镜的优势在于其对天空的巨大“胃口”——这种“胃口”正在带来天文学领域一些最惊人的发现。

凭借其巨大的光敏成像传感器组，斯隆望远镜的视场非常宽广，可以一次成像相当于36个满月的天空（相比之下，哈勃望远镜的视场不到一个满月宽度的十分之一）。它夜复一夜地扫描广阔的天空，将其观测结果下载到一个73TB（并且还在不断增长）的数字数据库中，该数据库覆盖了从阿帕奇点观测到的几乎一半的夜空。斯隆望远镜无休止的凝视捕捉到了恒星、星系、超新星、星云等——总计超过3.5亿个天体——构成了有史以来最完整的宇宙普查。

所有这些活动的结果就是斯隆数字巡天（SDSS），最初设立的目的是“确定宇宙的大尺度结构”，芝加哥大学天体物理学家兼斯隆巡天主任理查德·克朗说。“我们想绘制形成星系团的星系以及形成超星系团的星系团。”实现这一目标需要比1950年代的帕洛马尔巡天迈出一大步，后者几十年来一直引导天文学家探索天体奇观。“我们知道，要取得真正的进展，我们需要多一百倍的数据，”克朗说。斯隆巡天以全彩色捕捉天空，而不仅仅通过红色和蓝色滤镜，生成的图像比帕洛马尔的清晰两倍，并且能探测到比其前身亮度低十分之一的物体。斯隆还引入了两项重大创新。首先，它以数字形式提供所有数据，因此图像易于电子分类和研究，即使远在半个地球之外。其次，它不仅捕捉天空图像；它还测量许多经过其视场的物体——迄今已有一百万个星系和十万个类星体——的距离，提供了对深空独特的三维视角。

斯隆望远镜于2000年投入运行，此后产生了两次里程碑式的巡天，称为SDSS-I和SDSS-II。去年八月，与该项目相关的天文学家聚集在芝加哥，回顾SDSS-II的结果，并为第三次巡天——当然是SDSS-III——做准备，该巡天最近已开始并将持续到2014年。

总而言之，斯隆的结果揭示了科学领域最惊人的故事之一：可见宇宙只是浩瀚宇宙海洋表面的泡沫。绝大多数存在的事物比我们所了解的微小部分更具动态性、更复杂，也更古怪。我们现在才开始看到宇宙的真实面貌。

宇宙是双重黑暗的通过绘制一个直径约50亿光年的空间区域中超过46,000个星系的精确位置，斯隆数字巡天为当今宇宙学家面临的最大谜团——暗能量的本质——带来了一些曙光。

天文学家多年前就发现，宇宙中的大部分物质并非构成恒星、行星、你我的那种物质。其中大部分（根据最新估计，占83%）是所谓的暗物质，一种未知的物质——可能是一种看不见的、尚未被探测到的基本粒子。然后故事变得更加令人困惑。1998年，当SDSS计划最终确定时，两组观测者报告称，宇宙中弥漫着另一种看不见的实体，一种被称为暗能量的力。这种能量像反引力一样，将星系推开，使宇宙随着时间的推移加速膨胀。

暗能量的证据来自对一种被称为Ia型超新星的爆炸恒星的研究。这些恒星的奇妙之处在于，它们似乎都以完全相同的方式爆炸，产生具有可预测亮度的爆发。了解Ia型超新星的真实亮度使天文学家能够通过观察它在天空中显得多么暗淡来测量它的距离。这些测量反过来可以解释宇宙膨胀如何随时间变化。通过检查一些极其遥远的超新星，研究人员推断出暗能量的存在并设法测量了它的丰度。它似乎占宇宙总内容的惊人的70%。（所有物质，无论是可见的还是黑暗的，加起来只占30%。）

这些发现给研究人员留下了各种新的问题。暗能量是什么？它是如何作用的？在宇宙早期，它是否更强或更弱？它的强度是否在宇宙的不同区域有所不同？科学家们还希望有一种独立的方法来证实Ia型超新星所揭示的暗能量故事。例如，这些超新星可能并非真正均匀，这将使原始研究的基本假设失效。

包括俄亥俄州立大学天体物理学家大卫·温伯格在内的许多研究人员意识到，他们可以通过观察星系在宇宙中的分布方式来找到一些答案。今天所见的大尺度结构起源于宇宙的动荡婴儿期。那时，宇宙是一个炽热、致密的粒子海洋，充满了在大爆炸后最初的极短时间内产生的密度变化。这些密度变化产生了压力波，它们一次又一次地相互碰撞。最终，在大爆炸后约40万年，不断膨胀和冷却的宇宙无法再支撑这些翻滚的波浪。但它们的印记保留了下来，凝固成高密度和低密度物质分布的模式，最终将演变成大量的星系和相对空旷的宇宙空洞。

通过将早期宇宙的这一概念与暗能量效应的特定数学模型相结合，科学家们能够预测一个特征尺度——星系集中区之间的典型距离——这应该在宇宙结构中显现出来。“无论你今天在哪里看到星系集中区，你都应该在该集中区周围一个直径10亿光年的环中发现略微过量的星系——大约1%，”SDSS-III项目科学家温伯格说。

这正是斯隆望远镜所发现的，它聚焦于亚利桑那大学的丹尼尔·艾森斯坦识别出的异常明亮的红色星系群。结果有力地证实了暗能量并非幻觉；确实存在一种看不见的力量将宇宙推开。未来的斯隆巡天应该有助于解开这个谜团。通过积累更大量的星系在宇宙中分布的目录，斯隆望远镜将逐个时代地测量宇宙不断变化的膨胀速度，从而检验各种暗能量理论。“我很兴奋，”去年接任SDSS-III项目主任的艾森斯坦说，“这是一种探测暗能量非常可靠的方法。”

银河系有一群伙伴天文学家自1920年代以来就知道，我们的银河系被较小的星系团（本质上是矮星系）所环绕。其中最大最亮的两个，大麦哲伦云和小麦哲伦云，在南半球用肉眼很容易看到。到1990年代，又发现了另外10个这样的伴星；它们要暗得多，只能通过强大的望远镜才能看到。但是现代宇宙学理论认为应该有更多的这些矮星系——而且是多得多。暗物质的质量是可见物质的五倍，它应该像熔岩灯中的斑点一样，破碎成各种大小的团块。在引力的作用下，每个团块都会将普通物质拉向其中心，形成恒星和星系。最小的团块会产生微小的星系，而且周围应该有几十个或几百个。那么它们在哪里呢？

斯隆数字巡天通过在银河系周围发现15个更多的矮星系，弥合了理论和观测之间的一些差距。剑桥大学的格里·吉尔摩表示，由于该巡天只覆盖了四分之一的天空，并且必须越过各种局部和宇宙障碍，它可能错过了另外60到80个类似的矮星系。因此，斯隆的结果加强了当前关于暗物质的观点，就像它们证实了暗能量的真实性一样。在新的图像中，可见物质——我们所构成的物质——实际上是稀有的奇异物质，仅占宇宙的4%。

斯隆发现的所有这些小星系改变了我们对宇宙如何演化的看法，吉尔摩指出。矮星系太小，无法吸入大量的恒星形成气体。无论其中形成什么恒星，它们都是很久以前形成的。宇宙中的第一批恒星是巨大、燃烧迅速且寿命短暂的。它们爆炸并死亡，喷射出气体，这有助于产生第二代更小、寿命更长的恒星——其中许多应该仍然存在。“这些矮星系中的恒星，”吉尔摩说，“其化学性质表明它们确实来自第二代恒星。因此，你可以逐颗研究宇宙中最古老的幸存天体。”

矮星系还提供了另一种研究暗物质的方法，因为这些星系是“几乎纯粹的暗物质团块，其中只有少数恒星，”吉尔摩补充道。“最小的一个可能有大约一千颗恒星，但其总质量相当于一百万颗太阳般的恒星。”一个关键发现是：暗物质成分的直径达300光年，比大多数理论家预期的要大。“当前理论认为暗物质应该形成比这小得多的团块，”吉尔摩说，“所以这可能暗示了我们应该关注的粒子一个重要特征，”以便弄清暗物质究竟是什么。

银河系是一个星系食人族纽约伦斯勒理工学院的海迪·纽伯格说：“当你看到像银河系这样的螺旋星系图片时，最显眼的就是旋臂。”然而，从她的角度来看，真正的兴趣在于一个更大但更稀疏的球状恒星云，被称为球状体，围绕着这些星系。球状体中的一些恒星是星系同类相食的残骸，它们来自落入螺旋星系、被强大的潮汐力撕裂并融入更大星系结构的矮星系。

纽伯格和几位同事一直在寻找隐藏在银河系球状体中的这一过程的线索。“当我开始研究球状体时，”她说，“每个人都说它只是一个没有特征的云。”但在1990年代中期，天文学家在球状体中发现了一个有趣的星云。他们意识到它一定是粉碎的矮星系的残余物，他们称之为射手座矮星系。这个星系只被部分吞噬，仍然有一股微弱的恒星流从中流出。

凭借斯隆的卓越灵敏度，纽伯格和她的同事们已经能够绘制出环绕银河系的射手座恒星流的完整轨迹。他们还发现了另外六七条相互交叉的恒星流，这种结构他们称之为“流场”。其中一条，麒麟座流，与射手座流一样大，尽管没有明确的原始星系被摧毁的残余物。“那一条仍然存在争议，因为它位于银河系盘面内，”纽伯格说。“有些人认为它是盘面本身的一部分。”但构成流场的其他流则毫无疑问是被吞噬的矮星系的遗骸。利用斯隆望远镜记录恒星精确颜色和亮度的能力，纽伯格现在可以确定流中单个恒星的距离。这些信息使她能够创建我们星系及其周围环境的三维地图。“当你只看二维时，你无法真正看到这些结构，”她说。

结果证实，暗能量并非幻觉；确实存在一种看不见的力量将宇宙推开。

调查恒星流有助于我们拼凑出我们星系的生命史。它也让黑暗宇宙离我们更近。由于撕裂矮星系的大部分引力来自暗物质，天文学家希望通过追踪星流的结构来推断隐藏在银河系周围的暗物质粒子的分布。

婴儿宇宙快速成长斯隆巡天望远镜就像一台时间机器，不仅能深入太空，还能追溯到宇宙的早期历史。这类研究特别关注类星体，即某些超活跃星系的中心。类星体很容易超越其星系其余部分的亮度，但它们又如此紧凑，以至于看起来只是一个光点。类星体高效亮度的引擎是一个巨大的黑洞，质量相当于十亿甚至更多个太阳，它贪婪地吞噬气体，使其在坠入过程中加热到数百万度。斯隆望远镜甚至能够研究来自宇宙另一端的辐射闪光。

类星体以及大多数星系的距离是通过测量其光线中的一种变化（称为红移）来确定的。由于宇宙膨胀，来自遥远物体的光线被拉伸并向光谱的红色端移动。物体越远，其光线到达我们所需的时间越长，其红移就越大。在斯隆巡天出现之前，已知最远的类星体红移介于4到5之间（这个数字是衡量光线被拉伸程度的指标）。这意味着我们看到的这些类星体是它们在大约127亿年前、宇宙仅约11亿岁时的样子。

“我们最多只发现了几十个这样的类星体，”宾夕法尼亚州立大学类星体专家唐纳德·施耐德说，他帮助规划了斯隆巡天项目。但他和他的同事们对我们能看到这些极其遥远的类星体感到困惑。标准宇宙学模型暗示，宇宙中的物质没有足够紧密地集中，无法在如此早期就形成黑洞。显然，这些模型是错误的。不幸的是，已知的这些超远类星体太少，天体物理学家无法说更多——直到SDSS增加了10万个新类星体。

在这批类星体中，红移高于4的不少于1000个。其中有少数红移超过6，它们的时间可以追溯到大爆炸后不超过9亿年。正如天体物理学家利用附近星系的聚类来测量宇宙的现代结构一样，他们现在终于可以对遥远、年轻的宇宙做同样的事情了。初步结论是：发光物质——恒星及其星系——在宇宙历史的非常早期就已经在大尺度上聚集，很可能由致密的暗物质云播种。

斯隆巡天发现的最古老的类星体也显示出被氢气云笼罩的迹象，这是关于早期宇宙状况的另一个线索。这些云大约在大爆炸后40万年形成，当时宇宙冷却到足以让带电的质子和电子结合形成电中性的氢原子。这些原子非常有效地吸收某些频率的光，使得年轻的宇宙比今天更不透明。由于显而易见的原因，天文学家对那个被称为“黑暗时代”的模糊时期发生了什么知之甚少。当第一批恒星开始形成时，大约1亿年后，它们的辐射将电子和质子重新分开，使星际空间变得高度透明——就像今天一样。能够检查极其遥远的类星体，仍然被早已消失的中性氢云包围，“意味着我们终于在探索黑暗时代，”施耐德说。

爱因斯坦仍在教导我们1936年，阿尔伯特·爱因斯坦描述了一种他认为原理上必然存在，但在实践中却极其罕见，以至于我们永远不会实际看到的现象。根据他的广义相对论，引力会扭曲空间，并弯曲经过大质量物体附近的光线。如果一个遥远的星系恰好位于一个较近的星系正后方，这种扭曲会弯曲并放大遥远星系的图像，这种现象现在被称为引力透镜。

爱因斯坦关于“必然部分”的论断是正确的，但关于其“稀有性”的论断是错误的。自1979年发现第一个引力透镜以来，天文学家实际上已经看到了无数的例子。斯隆巡天科学家现在正利用引力透镜的放大能力，作为另一种探测星系结构和无法探测的暗物质分布的方法。

通过对星系和星系团动力学的研究，研究人员推断，几乎每个星系都围绕着一个巨大而密集的暗物质光晕。然而，这些光晕的质量和大小仍然只粗略可知。这就是斯隆巡天和引力透镜发挥作用的地方。如果遥远的星系正好在近距离星系的后面，透镜效应就很强；如果遥远的星系明显偏离轴线，透镜效应就会小得多。遥远星系如此之多，以至于每个附近的星系都以成千上万个其他星系为背景，每个背景星系的图像都会略微扭曲。测量这成千上万个扭曲并将所有信息拼凑起来，可以提供附近星系质量的详细地图——一张纯粹基于引力而非光线的地图。

这种研究极其困难。“偏转非常微小。人们非常确定我们无法用斯隆望远镜探测到它们，”高级研究所（爱因斯坦当年正是做出半正确预测时在该所工作）的天体物理学家蕾切尔·曼德尔鲍姆说。但斯隆最终还是看到了这些扭曲。尽管遥远星系的扭曲太微妙，无法一一辨认，但曼德尔鲍姆发现她可以分析数百万个背景星系的形状，并检测出与这些星系正常外观的统计学差异。这种拉伸模式现在正被用来探测导致扭曲的暗物质云。

还有其他方法可以推断看不见的质量的存在，例如观察被吞噬的矮星系是如何被撕碎的，就像海迪·纽伯格所做的那样，或者测量星系内恒星的旋转速度。这些方法的缺点是，它们只能在暗物质靠近星系可见部分（约3万光年以内）时才能探测到。曼德尔鲍姆说，通过透镜，我们可以探测到大约一千倍远的距离。事实上，她发现暗物质晕显得巨大，这与曾经看似离奇但日益令人信服的观点——我们生活在一个主要由暗能量和暗物质构成的宇宙中——相符。

乐趣才刚刚开始除了探测遥远的类星体和大型星系团外，斯隆巡天也在离家较近的地方取得了重大发现。天文学家现在可以通过识别小行星的颜色，并以巡天揭示的数万颗新小行星为指导，了解它们的化学和轨道特性。其他斯隆研究人员还识别出了一种新型白矮星，即太阳大小的恒星死亡后留下的核心，并观测到了难以捉摸的褐矮星，这些天体大到不能算是行星，但质量又不足以引发核聚变反应成为恒星。

尽管去年八月在芝加哥的聚会大部分是为了庆祝斯隆已经取得的成就，但天文学家们也预览了未来的发展。即将上任的主任艾森斯坦表示，斯隆三期预计将持续六年，并将包括四个主要项目。其中两个——对发光星系进行更广泛的调查，旨在深入了解大尺度星系聚类信息，以及对被吞噬的矮星系残余物进行更灵敏的搜索——将扩展斯隆二期巡天的最新发现。

另外两个项目是全新的。其中一个将深入观察银河系的核心，研究那里恒星的组成。这些恒星，包括我们银河系中最早形成的恒星，应该仍然保留着大部分原始的元素混合物。“这是一种追溯银河系历史的方式，从年轻时期到今天，”艾森斯坦说。最后一个项目是寻找其他恒星周围的行星，利用斯隆望远镜一次性捕捉大片天空的卓越能力。“大多数地面望远镜一次只看一颗恒星。我们将同时观察60颗，”艾森斯坦补充道。

无论如何，这就是计划。像之前的斯隆项目一样，这四个项目无疑会增加我们对宇宙的了解。但无疑也会有冲击，比如观测到古老的类星体和发现食人星系——这才是真正激励运营着世界上最勤奋的望远镜的人的动力。“我们最初的想法是绘制宇宙的二维地图和星系的三维地图，”艾森斯坦说，“现在我们几乎在天文学的每个分支都取得了发现。”

亲身体验斯隆数字巡天已经以令人难以置信的细节扫描了天空的很大一部分，并将其录入电子数据库中，而且不只是专业天文学家才能使用这些数据。任何有互联网连接的人都可以从他们的桌面探索深空——甚至参与一个活跃的研究项目。

斯隆数据的最终存储库是项目自己的天空服务器。访问者可以随意浏览天空，或者从巡天工作人员创建的列表中选择感兴趣的壮观天体。

芝加哥大学天文系已经制作了几个基于斯隆巡天结果的视频，包括星系地图的三维飞行漫游。

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