在剧中等待戈多塞缪尔·贝克特“我们在这里做什么,这是个问题。我们很幸运,因为我们碰巧知道答案。是的,在巨大的混乱中,只有一件事是清楚的。我们在等戈多来。”

贝克特所说的“戈多”是什么意思是有争议的。在我作为天文学家的整个职业生涯中,我等待了许多“Godots”,包括对我的理论预测的观测测试。其中最难以捉摸的是实时观测宇宙的演变。

我们经常认为宇宙微波背景它是早期宇宙辐射的遗迹,就好像它看起来和30年前一模一样COBE卫星第一次将它绘制成它最近的样子普朗克卫星。这是一个有效的简化,只要我们的测量精度不够好,不能注意到差异。但事实是,宇宙一直在变化,所以宇宙光球——微波背景的原始来源——的性质也在变化。这样的宇宙变化在一个比人类一生长一亿倍的时间尺度上发生得非常缓慢。我们能注意到在我们监测天空的几十年里相关的微小变化吗?

宇宙就像一个以我们为中心的球形考古挖掘。我们对太空观察得越深,我们发现的这一层就越古老。由于光的速度有限,我们看到的遥远光源的旧图像显示出它们在光旅行时间之前的样子。如果我们允许更多的时间流逝,我们会在更晚的年龄看到相同的源。此外,当光向我们传播时,它的波长会因宇宙膨胀而拉长。可见光被移到红色,经历了所谓的红移.埃德温·哈勃意识到大约在一个世纪以前,距离我们越远的源越快地远离我们,因此红移提供了一种测量宇宙源远离我们的速度的方法。

我们通常认为遥远星系和其他物体的红移是宇宙在特定时间膨胀的快照。但事实上,它们是一部慢动作电影的画面,原则上我们可以通过等待足够长的时间来观看这部电影。我们真的能实时探测到特定源的宇宙衰退速度的变化吗?艾伦·桑迪奇(Allan Sandage)在1962年推断,通过测量这些变化将是非常具有挑战性的对遥远星系的观测在一个天文学家几十年的职业生涯中。

1998年,我写道一篇论文建议一个新方法用来测量天体在宇宙距离上膨胀速率的演化。对遥远类星体的视线穿过无数的氢云。每一种云都在观测到的类星体光谱上留下了吸收特征。测量到的红移的吸收特征比每条视线上的星系数量要多得多。这为测量微小的事物提供了一个更好的统计样本红移漂移在每个宇宙时期。

通过监测几十年来丰富的吸收特征森林所标志的许多红移的轻微漂移,人们有可能实时探测到宇宙膨胀率的演变。这种速度的变化刚好低于我们通过寄主恒星的微小反射运动来探测行星的最佳灵敏度。在几十年的观测中,吸收系统衰退速度的下降意味着宇宙减速,而时间增长则意味着宇宙加速。

在宇宙前半部分的历史中,由于辐射和物质的引力作用,宇宙的膨胀速率减慢了。但在下半场,辐射和物质被稀释得如此之多,以至于真空的“暗能量”占据了主导地位,宇宙膨胀成为了主导加速通过真空的排斥力。

通过实时监测宇宙膨胀,我们可以观察到高红移时的早期减速和低红移时的后期加速。两个阶段之间的转换将根据暗物质(在早期占主导地位)和暗能量(在后期占主导地位)的相对比例确定宇宙质量预算。总之,红移漂移与前面提到的有关Sandage-Loeb效应可以让我们直接看到宇宙是如何膨胀的就像我们在电影院看一样。这个观点会变成可行的计划下一代的高分辨率光谱仪非常大的,地面望远镜。

沿着观测到类星体的路径,氢原子所留下的吸收特征来自两个事实:一是氢是宇宙中最丰富的元素,二是通过吸收波长为12.16百万分之一厘米的紫外线光子,它可以从基态被激发到比它高的第一能级莱曼-阿尔法过渡.来自遥远氢云的吸收特征出现在一个波长上,自吸收时起,由于宇宙膨胀而拉长。因此,多条云沿着视线产生一个森林不同波长的吸收特征,在类星体光谱中就像一个风化的尖桩栅栏,一直到源红移处的莱曼α波长。从氢的地能级到更高能级的转变,被标记为莱曼- β、伽马、δ等等,就不那么明显了。

巧合的是,上述几个关于氢的事实都是在哈佛大学发现的。的莱曼系列是以西奥多·莱曼四世导演杰斐逊物理实验室,在实验上发现了氢的跃迁。随后,塞西莉亚Payne-Gaposchkin发现在她的博士论文研究中,太阳主要是由氢构成的;她是哈佛大学天文系的系主任。之后,爱德华·珀塞尔他是哈佛大学物理学教授、诺贝尔奖得主,通过探测21厘米的跃迁,发现了渗透在银河系中的突出氢气。这个概念被扩展到星系间介质乔治领域第一任主任天体物理中心在哈佛的校园里

我们很幸运地继承了这些开创性研究所开辟的道路,并利用氢气的莱曼阿尔法森林来告诉我们宇宙是如何实时演变的。探测红移漂移,这可能在十到二十年内实现吗那些已经在建造中的望远镜,比如平方公里阵列超大望远镜,强调了我们生活中最基本的方面:我们周围的一切都在变化,包括整个宇宙,而我们应该无休止地变化适应到新的环境中宇宙的孤独作为加速膨胀的结果。宇宙尺度上的永恒变化是最慢的“戈多”,天文学家有充分的理由等待它。

这是一篇观点分析文章。