有史以来最重要的暗能量探测项目很可能要被取消了。

这个恐怕已经命不久矣的项目叫做宽视场红外巡天望远镜(Wide Field
Infrared Survey
Telescope,简称WFIRST,读作“W-first”)。虽然直到两年前WFIRST才在美国宇航局(NASA)正式立项,但这台命途多舛的望远镜身上,寄托着宇宙学家们20年的心血和期待。

美高梅注册 1WFIRST的艺术想象图。图片来源:www.nasa.gov

让我们从20年前说起……

1998年,两个美国的研究组通过分析超新星数据,各自独立地发现了美高梅注册,宇宙在加速膨胀(这背后的故事精彩纷呈,足以拍一部电影,以后有空我们再细讲)。这是继埃德温·哈勃于1929年发现宇宙膨胀以来最重大的宇宙学发现,它也让三位科学家获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

美高梅注册 2从左至右依次为这三位诺贝尔物理学奖获奖者:索尔·珀尔马特(Saul
Perlmutter)、布赖恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam
Riess)。图片来源:Wikipedia

这个发现意味着我们的宇宙很可能由一种非常神秘的成分主宰,那就是所谓的暗能量

而且这个暗能量有三大特点:

  1. 它是暗的。

  2. 它会产生斥力。

  3. 它在宇宙中均匀分布,不会成团。

一般认为,暗能量是一种真空的能量,其密度极小,每立方厘米的质量约为10万亿亿亿分之一克,以致于我们在宏观尺度上完全无法感知它的存在;但放眼整个宇宙,暗能量将聚沙成塔,变成了统治整个宇宙的力量(最新的天文观测表明,暗能量约占宇宙中总物质组分的68%)。

美高梅注册 3目前已知在整个宇宙中,常规物质(Ordinary
Matter)占4.9%,暗物质(Dark Matter)占26.8%,暗能量(Dark
Energy)占68.3%。图片来源:arstechnica.com

暗能量有一个最关键的物理量,那就是它的状态方程w。w的大小将决定宇宙的最终命运。如果在未来,w的值变得小于-1,宇宙就会遇到一个被称为“大撕裂”的末日,到时宇宙中所有的结构,无论是银河系、太阳系、地球,还是我们本身,都会从内部被幻影暗能量撕碎,就连原子都不能幸免;反之,如果w的值永远都大于等于-1,宇宙就会一直膨胀下去。所以,只有弄清楚暗能量的本质,我们才能知道宇宙的最终命运,进而回答“我们将往何处去?”的终极问题。

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观测暗能量,没那么简单

进入21世纪以后,天文学家又通过其他观测技术进一步确认了暗能量的存在。

美高梅注册 5几种能够用来观测暗能量的技术。供图:王爽,来自王爽的果壳科学人直播专栏

但是当前的暗能量观测面临着一个很大的问题:不同的暗能量观测是用不同的望远镜完成的。这种状况有点像盲人摸象:一个望远镜只能完成一种暗能量观测,而一种暗能量观测又只能触碰到暗能量的一个局部;很明显,这样我们就无法看到暗能量的全貌了。

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所以早在21世纪初,一些宇宙学家就提出要建造一个专门用于研究暗能量的望远镜,能够完成所有的暗能量观测。这样一来,我们就能同时看到暗能量的多个局部,进而拼凑出暗能量的全貌。

这些人的努力最后汇聚成了一个项目,那就是WFIRST的前身——联合暗能量任务(Joint
Dark Energy
Mission,简称JDEM)。按照原始的设计,它将是一个1.5米口径、造价16亿美元的空间望远镜。

美高梅注册 7WFIRST将具有与哈勃望远镜相同的图像精度,但百倍于后者的视野范围。图片截取自NASA官网介绍WFIRST的视频,现在再看这个视频,有些伤感。图片来源:www.nasa.gov

2010年,美国科学院成立了一个十年调查委员会,以重要性和可行性为标准,对未来10年所要支持的天文观测项目做了一个排序。在这次排序中,JDEM受到了极高的评价,但同时委员会认为JDEM的造价太高,花这么多钱却只研究一个暗能量,有点不划算。所以,他们就把JDEM和另一个探测太阳系外行星的项目拼在了一起,形成了一个全新的项目这就是WFIRST的由来

顺便一提,WFIRST这个名字起得还是挺讲究的。前面说过,“W”代表暗能量的状态方程,而“FIRST”则是英文中第一的意思。所以,尽管被迫和探测太阳系外行星的项目绑在了一起,JDEM的成员还是向外界传达出了“暗能量优先”的理念。

在十年调查委员会的总结报告中,WFIRST被列为了空间探测项目的第一名。换言之,它成了未来10年最重要、也是优先级最高的空间探测项目。虽然有这么高的起点,但是WFIRST却相当时运不济,迟迟无法获得任何财政支持。这是因为之前立项的另一台望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜(James
Webb Space Telescope,简称JWST)太过昂贵,占用了NASA太多的资源。

直到2016年2月17日,WFIRST才终于正式立项。如果一切顺利的话,这个2.4米口径的空间望远镜,将于本世纪20年代中期上天。它将让人类有能力以前所未有的精度,来研究暗能量的性质,进而探究宇宙的终极命运。

但问题就出在这个“如果”上。

WFIRST前途未卜

2018年2月,美国联邦政府新一年的预算报告公布了。这份报告里明确提出要取消对WFIRST的财政资助。这样一来,无数宇宙学家20年的心血恐怕就将付之东流。

按照正常的流程,政府预算报告还需要得到议会两院的表决通过;最迟到今年的6月30日,美国国会就要完成所有拨款方案的立法工作。也就是说,人们还有4个月的时间来挽救WFIRST,尽管希望非常渺茫。

这让人不由地联想到上世纪九十年代克林顿政府中止资助超导超级对撞机(Superconducting
Super
Collider,简称SSC)的情景。由于美国突然停止建造SSC,而欧盟则继续支持建造大型强子对撞机(Large
Hadron
Collider,简称LHC),世界高能物理中心在经历了半个世纪后,又从美国重新迁回了欧洲。

别了,WFIRST。(编辑:婉珺)

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