Nature發(fā)布最詳細的3D宇宙地圖：“扭曲”的銀河、“平滑”的宇宙，以及一成不變的暗物質(zhì)

大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自AI科技評論

作者：陳彩嫻

昨日，Nature報道了一項歐洲“暗能量調(diào)查”（Dark Energy Survey，簡稱“DES”)團隊在宇宙觀測上所取得的最新研究結(jié)果：他們的數(shù)據(jù)提供了驚人的證據(jù)，表明暗能量（一股似乎不斷在推動宇宙、加速其膨脹的力量）在整個宇宙歷史中的狀態(tài)一直保持不變。 

在這項計劃為期6年的調(diào)查中，DES 團隊在智利托洛洛山美洲際天文臺中使用了Víctor M. Blanco望遠鏡中的570 兆像素相機觀測2013年至2019年的天空。他們通過觀測南方的天空，重建了質(zhì)量/團（mass）如何跨時空分布。

今年是這項調(diào)查進行的第三年。他們的調(diào)查覆蓋了南方天空的四分之一，揭示了 3 億個銀河系。英國愛丁堡大學(xué)的天文學(xué)家 Catherine Heymans 評論道：“這是一個非常強大的數(shù)據(jù)集?！?/span>

研究人員按照顏色對銀河系進行分組，以大約估算每個星系與地球的距離：隨著宇宙的膨脹，距離地球較遠的星系看起來會更紅，因為它們的光波已經(jīng)延伸出的波長更長。采用這個方式，DES團隊能夠在他們原先的宇宙地圖中添加第三個維度（即3D）。

看得更遠，相當(dāng)于回顧過去，所以 3D 宇宙圖能夠提供宇宙歷史的記錄。通過跟蹤銀河系如何隨著時間的推移而產(chǎn)生分布變化，宇宙學(xué)家可以間接測試推動銀河系分布變化的不同力量。這些力量中就包含了暗物質(zhì)的引力作用。暗物質(zhì)無法為肉眼可見，但占了宇宙質(zhì)量的 80% 左右，主宰了銀河系和星系團的形成。

Nature稱：這是有史以來最詳細的3D宇宙地圖！

DES觀測宇宙計劃

DES是誰？我們可以先看下這份名單……

事實上，DES團隊的人員名單更長，由超過400名研究人員組成。他們從2013年開始收集數(shù)據(jù)，在智利托洛洛山美洲際天文臺中使用Víctor M. Blanco望遠鏡中的570 兆像素相機觀測天空，曾在2017年基于2013年至2014年的測量繪制出第一幅宇宙地圖：

這幅地圖包含了2600萬個星系的變面形狀，其中包含距離地球約 2000 萬秒差距的 NGC 1398。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，質(zhì)量會扭曲空間。因此，星系的前景中，大量物質(zhì)可以使光線彎曲，從而使星系看起來略微被壓扁。無論前景中的質(zhì)量是由普通物質(zhì)還是暗物質(zhì)組成，都會出現(xiàn)這種情況。

由于某些原因，星系可能會被壓扁，包括它們的實際形狀與方向。但是，如果天空中某個區(qū)域的許多星系似乎都在沿同一方向傾斜，那么引力透鏡效應(yīng)可能是罪魁禍?zhǔn)住?/span>

在2017年的地圖上，他們發(fā)現(xiàn)宇宙中星系的分布比想象中要均勻。通過測量質(zhì)量如何彎曲光（即“弱引力透鏡效應(yīng)”），DES還能繪制出物質(zhì)的分布圖。

這些年來，他們一直在“The Dark Energy Survey”的網(wǎng)站上更新它們對宇宙的觀測進展： 

網(wǎng)站地址：

https://www.darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/ 

今日，他們的最新研究展示了基于DES第三年收集的弱引力透鏡數(shù)據(jù)集的重建收斂圖、質(zhì)量圖，被權(quán)威期刊Oxford Academic收錄：

論文鏈接：

https://academic.oup.com/mnras/advance-article-abstract/doi/10.1093/mnras/stab1495/6287258?redirectedFrom=fulltext

質(zhì)量圖是觀測星系前景中密度場（主要是暗物質(zhì)）的加權(quán)投影。DES團隊使用了四種重建方法：Kaiser-Squires、空 B 模式先驗、高斯先驗和稀疏先驗，每種方法都是對地圖先驗概率使用不同模型的最大后驗估計。 

他們使用真實 ΛCDM 模擬的方法與跟DES第三年數(shù)據(jù)緊密匹配的模擬數(shù)據(jù)進行比較。此外，他們在地圖上量化方法的表現(xiàn)，然后將重建方法應(yīng)用于DES第三年數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)誤差影響進行測試。這些地圖與光學(xué)前景宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行比較，并用于評估來自宇宙空洞剖面的透鏡信號。在這種方法下，新的暗物質(zhì)圖覆蓋了迄今為止任何星系弱透鏡圖的最大天空部分。

“扭曲”的銀河、“平滑”的宇宙

為了更好地揭示暗物質(zhì)的存在，DES 團隊分析了 1 億個距離地球更遙遠的星系的形狀。

由于引力會將空間彎曲，宇宙學(xué)家通過觀察星系的引力如何擠壓更遠星系的圖像（這種現(xiàn)象叫做“弱引力透鏡”），能夠繪制出宇宙較近區(qū)域大量暗物質(zhì)濃度的地圖。DES 的Alexandra Amon解釋：“我們觀察到的星系圖像有點扭曲。” 

通過以 3D 方式繪制星系和暗物質(zhì)，研究人員還能同時研究暗能量的性質(zhì)。 

暗能量的屬性一直是宇宙學(xué)中的重要問題之一。迄今為止，所有證據(jù)都表明暗能量在所有空間和時間中都是一致的，而 DES 的最新研究提供了對該假設(shè)最嚴(yán)格的測試。來自北卡羅來納州達勒姆杜克大學(xué)的DES的成員Michael Troxel談到：與其他的調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合，他們的 3D 地圖能夠?qū)⒃摷僭O(shè)的誤差降低到 3% 左右。

來自倫敦大學(xué)學(xué)院的 DES 領(lǐng)導(dǎo)成員Ofer Lahav 自豪地表示，這是宇宙學(xué)中假設(shè)暗能量恒定的模型的勝利。這也削弱了宇宙學(xué)中其他人提出的“暗能量是一種在未來隨時可能消亡的‘有形介質(zhì)’”的觀點。

DES 的研究還有一個新的發(fā)現(xiàn)：宇宙比預(yù)想的要稍微平滑。

這也更加證實了他們在2017年的報告中首次提出的觀點：“與宇宙所要求的相比，透鏡一直很低?！奔永Ｄ醽嗛T洛帕克Kavli粒子天體物理和宇宙學(xué)研究所的宇宙學(xué)家Amon解釋道。 透鏡低，也意味著暗物質(zhì)的濃度更低。

除了DES，還有兩個重要的弱透鏡項目也發(fā)表了令人費解的類似結(jié)果。它們分別是由位于夏威夷莫納克亞國家天文臺的日本斯巴魯望遠鏡完成的Hyper Suprime-Cam Survey，以及由知名宇宙學(xué)家 Heymans 領(lǐng)導(dǎo)的、在智利一個歐洲南方天文臺望遠鏡進行的Kilo-Degree Survey。這三項調(diào)查都發(fā)現(xiàn)了透鏡略低于流行的宇宙學(xué)模型所預(yù)想的。

即使考慮到實驗的不確定性，測量結(jié)果也與標(biāo)準(zhǔn)的模型大體一致。Heymans 說，將三項弱透鏡調(diào)查的結(jié)果合并到一項分析中，可以更精確地衡量可能的差異。

從明年開始，宇宙學(xué)將通過兩個新的天文臺——位于智利的維拉魯賓天文臺和位于歐洲航天局的歐幾里德太空望遠鏡——實現(xiàn)更重大的飛躍。Heymans介紹，兩家公司都將進行前所未有的深度弱透鏡研究，“他們將24小時進行這項工作?！?/span>

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01466-1

https://www.nature.com/news/cosmic-map-reveals-a-not-so-lumpy-universe-1.22413

https://www.darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/

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