SDSS map - each dot is a galaxy (M. Blanton/SDSS/CC BY SA)
图：红移值Ζ-斯隆数字化巡天地图-每个点都是一个星系
作为一个天文学家，没有什么比借助一个新的仪器或望远镜获得第一束光的感觉更美好了。这是成年累月地准备和组装硬件的成果，第一次在天体上收集到了光粒子。这通常伴随着一声宽慰的叹息，然后是对现在所有可能的新科学的激动。
十月22日，美国亚利桑那州的梅奥尔望远镜上的暗能量光谱仪（DESI）看到了第一束光。这是我们测量星系距离能力的一个巨大飞跃——创造了一个绘制宇宙结构的新时代。
图解：DESI看到的“第一束光” 图源：desi.lbl
顾名思义，它可能也是解决物理学中最大问题之一的关键：构成了70%的宇宙的被称为暗能量的神秘力量是什么？
宇宙是块斑状的。星系以几个或数十个的组合聚集在一起。有从几百到上千的星系组成的星系团，也有包含许多这样的星系团的超星系团。
宇宙这样的层次结构已经从第一张宇宙图上被得知了，在天体物理中心（CfA)的红移调查宇宙图上看起来像一个火柴人。
图解：CfA最初的红移调查 图源：harvard.edu
这些令人惊叹的图像是对宇宙中大型结构的第一瞥，有些甚至跨越了数亿光年。
CfA调查是一次耗时费力地构建一个星系。这包括测量星系光谱——将光按波长或颜色分解——并且识别某些特定化学元素（主要是氢、氮和氧）的指纹。
由于宇宙的膨胀，这些化学元素的特征被系统地转换成更长的红色光波。
这种“红移”首先被天文学家维斯托·斯里弗发现，并且由此引出了现在著名的哈勃定律——更远的星系似乎在以一个更快的速度移动。这意味着相比之下近处的星系似乎移动地相当慢——它们较远处的星系红移地更少。因此，测量一个星系的红移值是测量其距离的一种方法。
图解：DESI 图源：desi.lbl
关键一点是，红移和距离之间的确切关系取决于宇宙膨胀的历史，这可以用我们的重力理论和对宇宙物质和能量密度的假设从理论上计算出来。
所有这些假设最终在世纪之交通过结合新的宇宙观测被证实，包括从更大的红移调查中获得的最新3D地图。
特别是，斯隆数字天空调查（SDSS）是第一个专用的红移调查望远镜，测量了一百多万个星系的红移，将大规模的宇宙结构绘制到前所未有的细节。
图解：斯隆基金会2.5m望远镜 图源：sdss
SDSS的宇宙图像包括上百个超星系团和星系细丝，并帮助做出了一个意料之外的发现——暗能量。它们显示宇宙的物质密度远低于宇宙微波背景的预期，而宇宙微波背景是宇宙大爆炸留下来的光。
这意味着一定有一种被称作“暗能量”的未知物质，它推动宇宙加速膨胀，并且变得越来越缺乏物质。
悬而未决之谜
所有这些观测结果的结合宣告着一个宇宙理解的新纪元，宇宙由30%的物质和70%的暗能量构成。
但是尽管现在大多数物理学家已经接受了有这样一种暗能量存在，我们仍然不知道它的确切形式是什么。
图解：DESI所在位置 图源：wikipedia
不过已经有了几种可能性。许多研究者相信真空的能量具有某种特殊值，被称作“宇宙常数”。
其他的选择还包括一个可能性，当应用到整个宇宙的巨大标尺上时，爱因斯坦极为成功的引力理论是不完善的。
新的仪器像DESI 有助于下一步解决谜题，它将测量上千万的星系红移，覆盖宇宙的巨大体积，距地球远达100亿光年。
如此令人惊奇的精细宇宙图像应该能够回答一些关于暗能量和宇宙中大规模结构的创造的关键问题。
例如，它应该有能力告诉我们暗能量是否只是一个宇宙常数。为此它将测量暗能量施加在宇宙上的压力与单位体积能量的比值。
图解: 今期与早期的宇宙质能分布饼图
如果暗能量是一个宇宙常数，那么这个比值在宇宙的时间和位置上都应该是常数。然而对于其他的解释，这个比值都会变化。任何表明它不是常数的迹象都将是革命性的，并引发激烈的理论工作。
DESI也应该能够限制甚至扼*许多修改后的引力理论，可能最大程度地提供了一个爱因斯坦广义相对论的有力证明。
或者相反——将再一次引发理论物理学的革命。
另一个用DESI验证的重要理论是宇宙膨胀，它预示着在原始宇宙中能量密度的微小随机量子涨落在短暂的剧烈增长期内成指数膨胀，成为我们现在看到的宇宙大规模结构的种子。
图解：ΛCDM模型，加速扩张的宇宙。
DESI只是未来十年内进行的几次下一代暗能量任务和实验之一，因此我们当然有理由乐观地认为我们能很快解决暗能量之谜。
像欧几里得这样的卫星任务，以及像大型综合巡天望远镜这样的大型地面天文台也将提供新的见解。
也有其他像DESI这样的红移仪器，包括位于欧洲南方天文台的四米多物镜望远镜（4MOST）。这些联合起来将提供跨越整个宇宙的上亿红移，从而得出一个我们无法想象的宇宙图像。
图解：4MOST 图源：eso
现在想想当初我撰写我的仅仅基于700个星系红移的博士论文似乎已经是很久以前了。这的确表明成为天文学家是一个激动人心的时刻。
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暗能量是某种作用于时空结构本身的能量，并且是种均匀的负压力，会导致时空结构膨胀。
在物理宇宙学中，暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中，暗能量占据宇宙68.3%的质能。
在物理学领域，红移（Redshift）是指电磁辐射由于某种原因导致波长增加、频率降低的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离。相反的，电磁辐射的波长变短、频率升高的现象则被称为蓝移。红移最初是在人们熟悉的可见光波段发现的，随着对电磁波谱各个波段的了解逐步加深，任何电磁辐射的波长增加都可以称为红移。
图解：上图右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱，与图左侧太阳的光谱比较，可以看见谱线朝红色的方向移动，即波长增加（频率降低）
对于波长较短的γ射线、X-射线和紫外线等波段，波长变长确实是波谱向红光移动，“红移”的命名并无问题；而对于波长较长的红外线、微波和无线电波等波段，尽管波长增加实际上是远离红光波段，这种现象还是被称为“红移”。
参考资料
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. BOB NICHOL-张玉兔
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