“宇宙三维地图”，听起来或许像一部科幻电影中的场景，但它却是真实世界里天文学家们历时多年精心绘制的壮举。试想一下，我们仰望星空，看见的只是点点星光，而科学家却将这些点点星光精确定位、测距，绘制成了一幅跨越亿万光年的立体图景。
宇宙三维地图，简单来说，就是对宇宙中无数星系、类星体和恒星的位置进行精确测量后绘制而成的一幅空间结构图。与普通二维地图不同，它不仅能够提供天体的平面位置，还能揭示它们之间的实际空间距离和结构关系。这对于理解宇宙的大尺度结构至关重要。
当前，科学界最广泛认可的宇宙学模型是ΛCDM模型，即“宇宙常数-冷暗物质”模型。这一理论建立在广义相对论基础上，提出宇宙在大尺度上呈现出均匀且各向同性的特征。根据ΛCDM模型，宇宙的构成主要分为三个部分：占约68%的暗能量、约27%的冷暗物质和仅约5%的普通物质。暗能量这种神秘的力量被认为是导致宇宙加速膨胀的驱动力，而冷暗物质则虽然不可见，但它的引力效应却是星系、星系团以及整个宇宙大尺度结构形成的关键。ΛCDM模型的成功之处在于，它能很好地解释宇宙微波背景辐射的特征、大尺度结构的分布模式以及轻元素的相对丰度，长期以来成为宇宙学研究的基石。
那么，这幅迄今最大规模的宇宙三维地图是如何绘制而成的呢？这正是暗能量光谱巡天项目（DESI）所做的贡献。DESI采用先进的光谱仪，对宇宙中数以千万计的天体进行系统性的光谱观测。通过分析遥远星系的红移（即光谱线朝红色波段的偏移），科学家可以确定这些星系的距离和空间位置。DESI每次观测能同时对5000个天体进行测量，一夜之间就可以收集超过10万个星系的数据。依托这一惊人的观测效率和精度，科学家们最终成功绘制出了一幅涵盖约1870万个天体、横跨数十亿光年的宇宙三维图景。
为什么要绘制宇宙三维地图呢？对于天文学家其实是意义非凡。首先，它为我们研究宇宙膨胀和暗能量的本质提供了关键工具。其中尤为重要的是重子声波振荡（BAO）现象，宇宙大爆炸初期留下的声波波动在物质分布中留下了固定标尺（约5亿光年），被科学家称为宇宙的“标准尺”。通过测量在不同时期观测到的这个标准尺的尺度变化，科学家们可以推算出不同宇宙阶段的膨胀速度，进而深入研究暗能量的特性。
然而，这幅最新的三维地图也对现行的标准宇宙学模型带来了新的挑战。ΛCDM模型的关键假设之一，是将暗能量视为一种恒定的“宇宙常数”。但DESI的观测数据暗示，暗能量或许并非一成不变，而可能随宇宙演化而发生变化。这一发现意味着我们对宇宙膨胀的理解可能需要重新审视，现有的标准模型也可能必须经历根本性的调整甚至重新构建。
尽管目前有关暗能量演化的证据尚未达到物理学界“5σ”标准的确认级别，但随着DESI项目未来持续的数据积累和分析，这一挑战极有可能变得更加明确。或许不久的将来，宇宙学理论将因此经历一次重大的飞跃。
回望过去百年，人类的宇宙观经历了从静态到动态、从简单到复杂的深刻变革。如今，这幅迄今最大规模的宇宙三维地图不仅拓宽了我们对宇宙结构的认知边界，也为我们探索宇宙的起源、演化及其未来提供了重要启迪。正如伟大的天文学家哈勃所言：“探索宇宙，就是探索我们自己的起源。”而现在，我们站在了全新的起点之上，宇宙的更多奥秘正等待我们一步步地去揭开。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心 研究员
审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心 研究员
出品：中国科协科普部
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