比最好更好的事

少尉，杰克· 杰森。西点军校。优秀毕业生。报告长官，我们来这儿是因为你需要比佼佼者中的最好还要更好的人！——《黑衣人》

 

穹顶之下，暗能量巡天需要最澄澈的天空以获取最精美的影像和最优质的宇宙膨胀线索。

在暗能量巡天的网站上，你可以看到很多由暗能量相机拍摄的精美星系图片。这些星系形状、大小、颜色各不相同，但有一处是相通的：它们都在飞速驶离银河系，时速高达每小时几亿英里——宇宙正在膨胀，这件事情我们已经知道了快90年。

如果我们有办法记录每个星系的速度，猜猜看，这些速度是一直不变的呢？还是正在加速，或者减速？因为银河系引力的牵扯，艾萨克· 牛顿也许会猜减速，因为扔到空中的苹果会因为地球引力的作用速度慢慢减小（并最终掉下来）。但事实证明牛顿的引力观点是不适用的，这些星系正在加速，而不是减速。宇宙的膨胀正在加速，这件事情我们17年前才刚刚知道。暗能量巡天的300个侦探们正在进行一项长达五年的任务试图理解这个现象。在这个探索项目里，他们要对天空进行史上最大的“巡查”。

这个目标看起来过于“高大上”（确实如此）。本质上，暗能量巡天不过是在拍照片而已，拍很多很多的照片。如果进行顺利，暗能量巡天的侦探们一个晚上要拍大约250张天空的照片。五年的时间里，我们的文件夹里会累计起8万多张照片。每张照片的曝光时间大约是一分钟半，使遥远的星系也能有足够的光被捕捉到。在每张照片里，你可以找到大约8万个星系。这些照片涵盖了对每片天空50次的重复摄影。你要是想算你就自己算吧：反正我们最后拍摄到的星系有2亿之多！

我们研究暗能量——也就是导致宇宙加速的神秘力量——的一个方法是精准测量这2亿个星系的形状并相互比较。设想一下给2亿人（地球人口的三十五分之一）拍照片以研究人类人口的多样性。要最大化这些人类信息，你肯定想找职业摄影师在同等条件下拍最好的照片：光线要好，聚焦要准，相机还不能乱晃，你的模特也不准乱动。但是你总不能避免在这2亿人里，因为人和环境的差异，有些人拍出来要好看些。也许一些照片里面，有些模特动了一动，照片稍微模糊。另外一些照片背景光太强或者太弱，模特看不清楚。

同理，暗能量巡天希望能够为这2亿个星系拍到最美丽最精致的照片。作为天空的职业摄影师——天文学家，我们用的是世界上最好的相机——我们自己制作的的暗能量相机——进行拍摄。这个相机有570兆像素和5个超大透镜。它还有一套非常复杂的自动对焦系统以拍摄最最聚焦的照片。

当然，我们不需要闪光灯，因为这些星系里面可有几十亿个太阳在照明。

不过就像那些给人拍照的专业摄影师会遇到各种问题一样，大自然也时常会给我们天文学家制造些“麻烦”。暗能量相机安置在布兰科天文望远镜上，这台望远镜坐落于智利安第斯山脉的托洛洛山头。这个地方绝大多数的晚上都是晴空万里，但保不准什么时候就会有朵云彩飘过。即使我们能够完美聚焦，大气层中的湍流还会让星星变得一闪一闪的，也会让我们拍摄的星星和星系的照片变得模糊。我们的相机会接受所有所有从望远镜4米主镜上反射下来的光线。但是如果有气流冷锋，望远镜顶端的气温会比这个15吨主镜的温度略低，主镜上就有热气流升起，进一步模糊我们的影像。另外，相机拍到的头顶的照片最清晰——望远镜如果对着远离天顶的方向，星星和星系的光线就要穿过越多的大气层，被模糊的也越厉害；因为我们的任务涵盖大片的天空，我们总不能一直对着头顶拍摄。强风有时候也会从望远镜圆顶的天窗里通过，导致望远镜轻轻晃动，这也会让我们的照片有些模糊。另外，因为地球在自转，在一幅曝光里面，我们笨重的望远镜也要微微移动，以精确跟随我们的目标移动；如果这个过程有一点闪失，我们的照片也会——你应该已经猜到了——有些模糊。

因为这样和那样的原因，暗能量巡天拍摄的照片品质总会有些变化。有些晚上，天公作美，我们可以拍到很清晰的照片。另外一些晚上，事不如人意，拍的照片比较烂，结果就是我们会很难测量星系的形状。如果一幅照片过于模糊，我们就不会使用这张照片：我们会寻找机会重新对这些星系拍照。迄今为止，我们拍过的80%的照片都达到了使用标准。

观测季的绝大多数晚上，我们的相机后面有3个暗能量侦探在进行操作。每个观测员大概在这里待上一个星期，这样每个观测段(译者注：每年暗能量巡天的观测约为100多天)我们需要50个侦探进行“轮班”。2015年1月27日的晚上，正轮到我在望远镜这里进行观测。我的轮班正进行到一半，同行的还有其他两个人，分别是来自密歇根大学的张圆圆（Yuanyuan Zhang）和来自伊利诺伊大学香槟分校的安德鲁 纳德斯基（Andrew Nadolski）。那个晚上，安德鲁负责操控相机，我负责监测照片的质量，圆圆则是我们的小老板(小编注：圆圆可是DES头儿的头儿！因为本文的作者是整个暗能量巡天项目的负责人)。

那个晚上的天气状况非常好。虽然空气有点潮湿，大气层却是极其的平静和稳定。我们当时主要是使用红光和近红光滤波片进行拍摄。这主要是因为那天晚上有月亮，月亮的颜色其实非常的蓝，而红光和近红光的滤波片则可以阻拦绝大部分的散射月光，这样我们就可以看到天空里偏红的星系。比方说，在这张著名的摄制于优胜美地国家公园（美国，Yosemite National Park）的 《巨石,半圆山的容姿》（“Monolith, the Face of Half Dome”）里，安塞尔·亚当斯（Ansel Adams）就使用了红光（但不是近红外）滤波片以暗化天空制造对比效果。

那个晚上的当地时间0点28分，我们抓取了一个曝光编号为403841的照片。当时我们使用的是一个被称为“Z”波段的近红光滤波片。这个“Z”波段如此之红，以致于它已经处于人眼可见范围之外。但是数字相机，尤其是暗能量相机，却对近红光非常敏感。另外，我们的电脑会对拍到的每一幅照片进行即时处理，并将结果显示到一排显示器上，这样我们就可以判断我们数据是不是通过了筛选标准。当403841通过处理的时候，我们的程序显示这张照片极其清晰。进一步分析确认，这张照片是暗能量巡天自两年前观测启动开始到现在拍摄的3万5千张照片里面最清晰的一张。

这张照片如此之清晰（“锐”），以至于每颗星星只有0.6弧秒、也就是0.00017度的宽度。作为参考，这个宽度大概是从地球上看月球表面一个直径1千米的月坑的大小，或者也可以说，这是置于30米外的头发的宽度。

本页的图片展示的是着色过的403841号照片的一小部分，这一部分包含了一个巨大的螺旋星系，一些较小较暗淡的星系，以及银河系里的一些星星。红色圈里的星星大概0.6弧秒宽。你也许觉得这张照片没有我们网站上其他的彩色照片好看，但是这张图片更接近于我们未经处理的原片。暗能量巡天的“原片”要先送到位于伊利诺伊厄本那－香槟的国家超级计算中心（美国，National Center for Supercomputing Applications）进行处理（如果你不到40岁，你可以问问你们的父母,他们是不是还记得以前把原片送出去冲洗的情景），这样我们的暗能量侦探们才可以使用它们进行科学研究。

在暗能量巡天这里，我们有一个“牛掰”网页记录我们在5个波段拍到的最清晰的照片。我们的403841号已经在这个网页上占据了显要位置——它是5个波段最好的照片里面最好的一张。但是比最好的照片更好的是，这些记录总有一天要会被更更好的记录取代。

作者：暗能量侦探 乔什· 弗里曼，费米实验室、芝加哥大学 (Josh Frieman, Fermilab and the university of Chicago)

翻译：暗能量侦探 张Y（Y. Zhang)

翻译编辑：暗能量侦探 李T (T. Li)

另请注意：1月30日星期五的时候，我们在Reddit网站上做了一个“十万个为什么”的活动（Reddit AMA on Friday, Jan 30）。我们讨论了暗物质和暗能量的一些实例和证据。