第63章 南极墙 (8/9)

coslogy

project）发现：遥远超新星的亮度比预期更暗——这意味着它们与我们的距离比用匀速膨胀模型计算的更远。换句话说，宇宙的膨胀不是减速的（如引力主导的预期），而是在加速。

驱动这种加速的，是一种我们看不见的“能量”——暗能量（dark

energy）。它占据了宇宙总能量的68%，却没有任何电磁相互作用，无法被望远镜直接观测。我们只能通过它对宇宙膨胀的影响，推断它的存在。

暗能量的核心属性是它的状态方程（equation

of

state），用参数w表示：w

=

压力\/密度。对于宇宙学常数（coslogical

constant，爱因斯坦提出的“宇宙学项”），w

=

-1——它的压力是负的，能产生排斥力，推动宇宙加速膨胀。如果w

＜

-1，暗能量会随时间增强，最终撕裂所有结构（“大撕裂”）；如果w

＞

-1，暗能量可能随时间减弱，宇宙膨胀会逐渐减速（“大冻结”或“大收缩”）。

南极墙的价值，在于它是测量w值的最精确“宇宙尺子”。作为一个结构清晰、邻近的纤维结构，它的演化直接受暗能量影响——我们可以通过观测它的拉伸速率、星系团的运动，反推暗能量的w值。

二、为什么南极墙是暗能量的“理想试验场”？

选择南极墙作为暗能量的试验场，不是偶然，而是它的“先天优势”决定的：

1.

邻近性：减少宇宙学距离的不确定性

测量暗能量的关键是比较不同距离的宇宙结构的膨胀速率。如果结构太远，距离测量会有很大误差（比如用超新星的距离误差可达10%）。而南极墙距离我们仅5亿光年，距离测量的误差小于2%——这意味着我们可以更精确地比较它现在的状态与过去的差异。

2.

结构清晰：纤维与节点的“天然标记”

南极墙的纤维结构像一根“宇宙橡皮筋”，两端连接着不同的超星系团（本超星系团与沙普利超星系团）。这种结构有明确的“标记”：纤维中的中性氢气体、星系的运动轨迹、引力透镜的变形——这些都可以用来测量暗能量的影响。

3.

多波段观测数据丰富

南极墙已经被sdss、eboss、哈勃、钱德拉等望远镜详细观测过，积累了大量的光学、x射线、射电数据。未来，euclid、ska、roman望远镜将进一步补充这些数据，让我们能从不同角度解析它的演化。

三、用南极墙测量暗能量：方法与结果

如何用南极墙测量暗能量？天文学家主要用三种方法：

1.

测量纤维的“拉伸速率”

南极墙的纤维结构是暗物质与气体的“通道”。暗能量的排斥力会让纤维越拉越长。通过观测纤维中中性氢气体的红移分布（用alma或ska望远镜），我们可以测量气体的流动速度——如果气体流动速度比哈勃速度（宇宙膨胀的固有速度）更快，说明暗能量在拉伸纤维。

2023年，波马雷德团队分析了eboss的红移数据，测量了南极墙中一条纤维的拉伸速率：每年拉伸约10^4光年。根据这个速率，他们计算出暗能量的w值约为-1.02，误差小于5%——这与宇宙学常数的预测几乎一致。

2.

观测星系团的“相对运动”

南极墙中的星系团（如南极星系团、天燕座星系团）原本因引力相互吸引。但暗能量的排斥力会抵消这种引力，让星系团逐渐远离彼此。通过测量星系团的视向速度差（用sdss的光谱数据），我们可以计算暗能量的“排斥强度”。

比如，南极星系团与天燕座星系团的距离约1亿光年，它们的相对远离速度约为70公里\/秒——这正好符合哈勃定律的预测（v

=

h?d）。但如果暗能量的w值不等于-1，这个速度会比预期更快或更慢。

3.

引力透镜的“时间延迟”

当背景星系的光穿过南极墙的引力场时，会产生引力透镜效应——光线被弯曲，形成多个像。暗能量的拉伸会让透镜的形状发生变化，导致不同像的亮度变化出现“时间延迟”。通过测量这种时间延迟，我们可以反推暗能量的密度分布。

未来的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（roman

telescope）将专门做这件事——它能以更高的分辨率观测引力透镜，为暗能量的w值提供更精确的测量。

四、南极墙的未来演化：暗能量下的“宇宙变形记”

根据Λcdm模型（w=-1），南极墙的未来演化将分为几个阶段：

1.

纤维的持续拉伸（未来100亿年）

暗能量的排斥力会让南极墙的纤维结构逐渐拉长。比如，现在连接南极墙与本超星系团的纤维，长度约3亿光年；100亿年后，它的长度将增加到约10亿光年，像一根被拉长的橡皮筋。