作者:陆洋 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2012-1-6 8:21:16
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访景益鹏研究员:探索宇宙的起源与演化

 
■实习生 陆洋 本报记者 黄辛
 
仰望星空,我们常常会发出“宇宙之问”,例如宇宙最初是什么模样?它是如何演化成现在的状态?星系是如何形成和活动的?还有那看不见的暗物质究竟是什么?
 
中科院上海天文台星系宇宙中心首席科学家景益鹏和他的创新团队正试图回答这些“宇宙之问”。
 
2008年,由景益鹏牵头的创新团队获得国家自然科学基金创新研究群体项目,创新群体中另外7位上海天文台的研究员皆是博士,有6人为中科院“百人计划”入选者。3年间,群体成员袁峰、杨小虎、张鹏杰相继获得国家杰出青年基金,目前群体共有6位国家杰出青年基金获得者。
 
景益鹏作为创新群体的带头人也是国家“973”计划“宇宙大尺度结构和星系形成与演化”项目的首席科学家,他共发表学术论文100多篇,被5000多篇论文引用,其中9篇论文的单篇引用数超过100篇次,H因子为41。
 
如今3年过去了,景益鹏近期刚完成这3年工作的总结,他告诉记者:“我们申请了延续基金资助,关于星系的形成和演化,我们群体还会继续做下去”。
 
相信暗物质还是修改引力理论?
 
采访一开始,景益鹏就先向记者介绍了暗物质和暗能量。
 
暗物质和暗能量,这两个词在近几十年的宇宙学研究领域中频频出现,它们分别占据了宇宙的23%和73%,似乎研究宇宙学就绕不开它们。
 
1933年,瑞士天体物理学家弗里茨·兹维基发现,大型星系团中的星系运动得很快,根据爱因斯坦广义相对论的计算,星系团应该拥有很大的质量,这样才能产生足够大的引力维持星系高速运动,然而观测到的星系团总发光物质质量远小于理论计算值。
 
“因此一定存在看不见的暗物质,和普通物质一起维持星系高速运动。目前研究表明暗物质没有电磁作用,不会发出电磁波,它的质量比可见物质高出5倍多。但仍不知道暗物质到底是什么。”景益鹏说道。
 
暗能量则是一种看不见,推动宇宙加速膨胀的能量。景益鹏说:“天文学家曾以为因引力作用宇宙膨胀速度会减少,但事实恰恰相反,宇宙正在加速膨胀。因此科学家根据爱因斯坦广义相对论,推论存在‘反引力’的暗能量。”
 
然而质疑暗物质和暗能量的声音一直存在。景益鹏介绍:“由于暗物质和暗能量的提出是在广义相对论正确的前提下,所以也有科学家认为是广义相对论出现了问题,暗物质和暗能量并不存在,提出要修正它,这也是一个研究方向。但到目前为止,没有一个理论比爱因斯坦的广义相对论更好,现在暗物质、暗能量加上广义相对论可以解决大部分宇宙层次的问题。”
 
那么广义相对论和修正引力理论究竟孰是孰非?据景益鹏介绍,张鹏杰研究员正在试图通过实验方法检验这两种不同的理论。
 
用数据模拟再现宇宙演化的过程
 
“目前为止,我们团队主要在爱因斯坦广义相对论的理论框架下研究宇宙结构的形成,即宇宙如何从早期非常均匀的状态演化到现在的状态。”景益鹏介绍道。
 
根据宇宙大爆炸模型,宇宙早期在大尺度上密度分布是均匀的,但仍然存在某些微小的密度起伏。景益鹏解释:“这就像一块平滑的玻璃,乍一看表面是光滑、均匀的,但若仔细看,它也有凹凸不平。”正是因为存在某些密度稍大的区域,之后在相当长的一段时间内,这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,因此就形成了气体云、恒星、星系等其他结构。
 
在整个宇宙演化的过程中,暗物质晕发挥着重要的作用。景益鹏解释道:“根据现有理论,基本上所有星系和观测到的天体都是在暗物质晕里形成。因此研究星系的形成和分布,必须要研究暗物质晕。”
 
景益鹏和他的合作者赵东海等通过一系列数值模拟和各种物理考虑后,于2009年首次提出了暗物质晕增长的普适物理公式,这是目前世界上预言暗物质晕质量增长和内部结构的最精确公式。
 
那么如何再现宇宙从最初到现在的演化呢?景益鹏说:“我们依靠数值模拟来研究宇宙的演化,同时将模拟后的结果与观测到的宇宙进行对比,发现数据差异后再对宇宙模型进行改进,使得模拟演化出的结果更符合观测的数据。现在有一个比较完善的宇宙模型:由宇宙学常数对应暗能量的冷暗物质模型。它几乎可以解释所有发现观测事实,目前为止没有发现大的毛病。”
 
然而,景益鹏强调数值模拟只是一个数学工具,更重要的是模拟出的结果代表什么科学意义,得到科学性的规律才是最重要的。
 
创新成果颇丰
 
在国家自然科学基金支持下,景益鹏牵头的创新群体3年中发表SCI论文129篇,其中相当一部分论文已在国际上产生重要影响。
 
张鹏杰研究证实了哥白尼原理在径向尺度30亿光年以上也成立,弥补了现代宇宙学的一个逻辑漏洞。该研究否定了能够取代暗能量的黑洞模型,确认了宇宙加速膨胀的存在。该论文在《物理评论快报》(PRL)发表后,还被选为PRL主编推荐文章,并被美国物理学会网站以概要的形式重点报道。
 
群体成员赵东海和景益鹏等提出的暗物质晕质量增长历史的统一模型和密度轮廓演化历史的统一模型,已被广泛应用于星系宇宙学的理论和观测研究,该单篇论文自2009年底发表以来已被引用60多次。
 
对于未来,景益鹏和他的团队将继续探索那些“宇宙之问”。景益鹏说:“看宇宙很难,因为要看宇宙中遥远的天体,获得的信号很弱,同时也有庞大的数据需要处理,但是当你知道这些数据背后的意义,解决了别人不知道的问题时,那种喜悦是不言而喻的。”
 
《中国科学报》 (2012-01-06 B2 基金)
 
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