续前文（帕克斯天文台之夜（2））

李斯特尔还有事，因此这天他就先离开帕克斯了，后面的观测就全靠我们自己的了。第三天晚上的观测开始得又不太顺：先是计算机系统不显示我们前几夜看到的控制画面，后来我们把所有程序关掉逐一重启，这个问题解决了，但在调试时我们还有一个指标显示似乎有异常。折腾了很久，还未能解决这个问题，给工程师打电话，他的手机关机了，最后我们给李斯特尔打电话，终于确认这个指标在调试模式时就是这样，正式开始观测后就会好的。确认一切正常后我走回到宿舍睡觉，今晚由小李他们值夜了。

在回去的路上，我抬起头来仰望星空。群星闪烁，但南半球的星空对我来说是陌生的，我能认出猎户座来，那是北半球也能看到并最容易辨识的星座。我也能清晰地看到银河，在这光污染很少的黑暗夜空中，它真的有点象一条缓缓流动的小河，如古诗所说的，“河汉清且浅，相去复几许”。当然，我们今天知道它其实它是一个盘子形状的星系，由几千亿颗恒星组成，我们的太阳也是其中之一。我想看看大麦哲伦星云和小麦哲伦星云，它们是离银河最近的其它星系，也是南半球天空最著名的天体，在北半球却无法看到。但是，此刻我手里没有拿着星图，不知道它们在哪个位置（其实手机上可以安装星图软件，不过我当时没想起来这一招）。

仙女座星系，在较好的天气、没有光污染和月光的条件下，在北半球可以用肉眼看到，我们的银河系与它也比较类似

次日上午，我起来后吃了早餐（厨房里有面包、吐司机，麦片，牛奶等等），小李他们观测完了还在休息，于是我骑上一辆公用的自行车，再次来到望远镜下的游客中心，买了一些纪念品，包括一个南半球星空的活动星盘。这里的科普做得很好，在展厅内朝向望远镜的玻璃落地窗前，我发现还摆着一个本子。翻开本子，里面列出了今年获得望远镜观测时间的各个项目的摘要。但不知为什么，却恰好遗漏了我们这个项目。

我们这个项目所要观测的，是宇宙的大尺度结构，也就是物质在宇宙中非常大的尺度上是怎样分布的。亿万个星系分布在浩渺的宇宙中，相互之间隔着几百万光年。我们用肉眼能看到的，不过是我们自己所处的银河系、大小麦哲伦星云，还有北半球可以看到的仙女座星系这几个最近的星系而已。有了望远镜，你可以看到更多更远的星系。从表面上看，星系的分布是杂乱无章的，就象原始森林里的树木一样。但是，在这种随机性的下面，隐藏着宇宙的秘密。如果我们能把空间中星系的分布精确地测出来，就可以揭示这些秘密。

这其中的诀窍就是数学上的傅立叶分析。这种方法把这些星系分布密度的变化分解为不同波长的正弦波，每个波的振幅和相位都不相同。这些波的强度会随着波长而改变，如果我们画出不同波长的波的振幅的平方，就得到所谓的功率谱。在波长约为4.5亿光年的地方，我们可以看到强度稍微增强了一点。这是因为在宇宙大爆炸的时候，普通物质（宇宙学上称为重子物质）处在等离子体的状态，不透明的等离子体与宇宙早期存在的大量光子耦合在一起形成一种流体，原初的随机扰动在其中激发各种不同波长的振荡，也就是我们一般说的声波，在这种等离子体中声波以大约光速的0.57倍的高速传播。在宇宙大爆炸结束的时刻，某个波长的声波，正好到达振动的一个高峰。在大爆炸结束时声速大大降低，于是就形成了这样的振荡峰。它被称为重子声学振荡峰。经过宇宙膨胀，这个波长在今天的长度是大约4.5亿光年了。此外，还有几个峰，对应的是更高次的振荡。

2dF观测到的星系分布，图中每个点代表一个星系的位置，可以看出星系的分布并不均匀

近年来，一些科学家用光学望远镜观测了星系的大尺度结构，并在功率谱中测到了这些峰，而我们则希望用射电望远镜进行观测，看到更高红移的大尺度结构。由于重子声波振荡峰是在宇宙大爆炸时期形成的，此后在宇宙的演化中，除了随着宇宙膨胀外，它的尺度几乎不发生改变。因此，如果我们能测出在不同的红移上，这些峰对应的角度是多少，那么我们就可以根据这些振荡峰的尺度和对应的角度解出那个红移到我们的距离。进一步的，如果我们能在几个不同的红移上测出这种距离，就可以还原宇宙膨胀的历史，并由此推论暗能量的性质了。

暗能量是宇宙学上最惊人的发现之一。我们熟悉的物质，产生的都是万有引力，或者用广义相对论的观念来说，它们的能量会使周围的时空发生弯曲。暗能量的奇妙作用在于，它可以使时空朝另一个方向弯曲，或者说它产生的是斥力而非引力。1998年，两个研究小组通过对超新星的观测发现，宇宙的膨胀正在加速，综合超新星和其它的观测数据，暗能量占据了宇宙总密度的百分之七十多——也就是，它主导了当前宇宙的演化。由于这一发现，这两个小组的三位负责人因此获得了2011年诺贝尔物理学奖（参看我此前的博文《超新星与暗能量的发现》）。但是，暗能量究竟是什么，我们仍然一无所知。

迄今为止，最简单也是最好的暗能量模型，仍然是老爱因斯坦当年提出的宇宙学常数，他假定空间中每单位体积内都存在着一种固定大小的暗能量。但是，这样的暗能量为什么会存在？特别是，在时空极小的尺度上，各种复杂的量子涨落一直在发生，它们原则上有可能会大大修正这种真空能量的大小，而且改变很多——实际上预期的量子辐射修正的大小比观测到的宇宙常数值大122个数量级——也就是10的122次方倍！正因为如此，人们对宇宙学常数模型感到并不完全满意。自暗能量被发现以来，物理学家们又提出了也许有几百种不同的模型，包括我也提出过暗能量模型，但坦白地说，所有这些模型都仍然不能令人满意，因为都没有很令人信服的物理上的理由，因而有很大的随意性。不过，无论如何这些模型都预言暗能量随着宇宙的膨胀会发生一些变化，这与老爱因斯坦的理论是不同的，所以我们要是能精确地测出暗能量是否随着红移而发生演化，将是很有意思的事。

第4天晚上，我们有了前几天的经验，实验开始得比较顺利，计算机自动执行控制指令脚本，让天线扫过我们要观测的天区。小李和小廖让我回去休息，我谢绝了。这是我的最后一个观测夜，由于有事，明天我也要踏上归程了，后面两天的观测，就拜托他们二位了，今天晚上我要一起值班。不过，一切工作正常，在值班室里并没有太多需要处理的事。其实，小廖有点想让望远镜抽出一天时间做一些专门的定标观测，以更精确地校正偏振，因为偏振测量不准是我们现在处理这些观测数据中遇到的一个大问题，而小廖正是负责这一测量任务的。但经过一番讨论，我们发现，帕克斯原有的数字相关器没有执行这种定标所需的功能，丹尼的新数字相关器原则上有这样的功能，但也需要专门的编程，不可能在这一两天内实现，因此我们最终决定还是按照原计划进行观测，至于定标观测则留待以后另想办法了。

我决定到塔外去，趁这个机会再好好看看南天星空。我拿上刚买的活动星盘，和小李一起走到塔外，眺望夜空，留下小廖在塔内值班。在东方地平线上方，有一个特别亮的亮点吸引人的注意，它似乎在缓慢地运动，同时变换着颜色。我和小李一开始以为那是飞机，但过了一会儿，它的位置似乎并无变化。是我们眼睛的错觉吗？值班室里有小双筒望远镜，我们拿起来观看，蓝、白、红，蓝、白、红，我们的眼睛并没有看错。难道我们碰到了UFO？对照一下星盘，那应该是我们的老朋友,全天第一亮星天狼星。我们看到的原来是闪烁现象:星光在受到地球大气的折射后，由于大气湍流的影响，我们看到它的位置发生变化。对这一现象大家都是很熟悉的，这就是所谓星星“眨眼睛”。但我们以前还没看到变颜色的“眨眼睛”，其实，这是由于不同颜色的光折射率有所不同，才造成了这一神奇的现象，而天狼星特别亮，因此在离地平线不远时就会被看到，这时闪烁特别厉害，因此我们也就看到了不同的颜色。

用手机拍摄的天狼星在三个时刻的截屏，呈现出不同的颜色

找到了这一神奇“UFO”的答案，我们又开始寻找大、小麦哲伦星云。但是，我们遇到了困难：此时月亮高高的挂在天上，月光被大气散射后，整个夜空一片皎白，甚至连银河也隐没在这月光下了。我对照星盘上的位置努力看去，但除了几颗亮星，什么也看不到。

其实，我们用帕克斯望远镜做的射电观测，也面临着相似的难题。从理论上说，通过观测星系中氢原子产生的21cm辐射来勾绘出宇宙大尺度结构，这是探测暗能量的一个很好的手段，但难点在于，在我们的射电波段，银河非常明亮，正如在可见光波段隐没了银河的月光一般。大量的高能宇宙线电子在银河系的磁场中旋转着发出同步辐射，这些辐射比我们想要观测的21cm信号强上几十万倍。由于银河系比我们要观测的星系近，等于挡在我们要看的星系前面，因此这一辐射被称为前景辐射。尽管早在上世纪50年代人们就已探测到了银河系的21cm辐射，但六十年过去了，人们仍然只能探测一些比较近的星系的21cm辐射，却还没有探测到高红移的21cm辐射。

当然，探测这一微弱的信号也不是没有希望。21cm信号和银河系同步辐射相比，虽然微弱，但却也有一些不同的性质。银河系里有大量不同能量的高能电子，而每一个电子在磁场中又发出许多不同频率的光子，结果是银河系的前景辐射在频谱上非常光滑，这被称为连续谱辐射。21cm辐射则是一种谱线，由于不同的星系距离我们有所不同，它们的红移各异，因此经过红移后，对应的频率各有不同。如果我们能想办法滤掉那些频谱光滑的信号部分，而只保留那些在频率上发生变化的信号，也许我们就能找到所要观测的21cm信号。不过，这一原理说起来容易，真正做起来又很难了，因为信号和前景之间相差太多了，而任何仪器也不是理想的，因此实际上要准确地减去前景是非常不容易的。我们的合作组之所以有如此多的人，就是因为要分工研究数据的处理方法和步骤，开发软件程序加以处理。这几夜的观测数据，我们将拿回去用几个月甚至更长的时间加以分析，希望最终能探测到隐藏其中的21cm信号。

早上4点钟，不甘心的我再次走出值班室来到外面。月亮落山了，天空一片漆黑，大小麦哲伦星云奇迹般地出现在天空中。我高兴的跑回值班室告诉小李，他有点不大相信。我拉着他走出来，在黑暗中让眼睛适应了一会儿，果然，他也看到了。我又回去替换小廖让他也出去看，终于我们几个都看到了这著名的南天奇观，一偿夙愿。

大麦哲伦星云 

天渐渐地亮了，我们结束了观测，回宿舍去休息，下午，我踏上了归程。在国内，我们正在研制一个新的阵列型的射电望远镜，它是专为暗能量探测而研制的，它将包括更多的接收机，以更快的速度进行巡天。我们期待着自己的这台望远镜，将能探测到宇宙大爆炸中产生的重子声波振荡峰。我国古代哲学家庄子著作中的一个名词，似乎最能贴切地描述了这一实验：“天籁”，因此我们就将自己的实验命名为“天籁计划”。我们使用帕克斯望远镜和分析处理其数据的经验，也可以运用在我们自己这台望远镜的研制上。

我们合作组的各位同事以及帕克斯天文台对我的这次访问给予了很多支持，谨此表示感谢。