迄今最精确的宇宙地图
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：毛尖尖，头图来自：视觉中国
一
29篇新论文，345个观测夜晚，包含2.26亿个星系，横跨70亿光年的宇宙，超过⅛的天空……
这些数字可以概括暗能量巡天（Dark Energy Survey，DES）团队发布的最新成果。研究利用了一片巨大天空区域中有史以来最大的星系样本，对宇宙的组成和变化进行了迄今为止最精确的测量。科学家发现，大体上来说，物质在整个宇宙中的分布方式与目前最好的宇宙模型——宇宙学标准模型的预测是一致的。同时，研究也获得了一些有趣的新发现，有待进一步探索。
二
我们都知道，常规物质只占宇宙的5%左右，剩余的95%都是“未知”。宇宙学家假设，暗能量通过抵消引力来驱动宇宙加速膨胀，大约占宇宙总能量和总物质的69%。剩下的一部分被称为暗物质，它的引力影响能将星系聚在一起。
宇宙中常规物质、暗物质与暗能量的分布示意图。| 图片来源：Mohamed Abdullah, UC Riverside
暗物质和暗能量都非常神秘，且无法观测。但DES试图通过研究两者之间的“角力”如何在宇宙时间内塑造宇宙的大尺度结构，来阐明它们的本质。
为了量化暗物质的分布和暗能量的影响，DES依赖两种主要现象。
首先，在大尺度上，星系并非随机分布在整个空间中，而是由于暗物质的引力形成一种网状结构。DES测量了这个“宇宙网”在宇宙历史上是如何演化的。反过来，形成宇宙网的星系聚集则能揭示暗物质密度更高的区域。
其次，DES通过弱引力透镜探测暗物质的特征。当来自遥远星系的光在太空中传播时，常规物质和暗物质的引力都会让它弯曲，导致从地球上看到的是星系的扭曲图像。DES的科学家通过研究遥远星系的表面形状的排列以及它们与附近星系的相对位置，可以推断出宇宙中暗物质的空间分布。
在6年时间里，DES使用智利托洛洛山美洲天文台维克托· M. 布兰科望远镜上的暗能量相机拍摄了夜空。它在758个夜晚的观测中调查了5000平方度，差不多是整个天空的八分之一，并记录下了数亿个天体。相机将天空中的10个区域选定为“深场”，并在整个观测过程中对其反复成像。将这些图像叠加，科学家就可以瞥见更遥远的星系。
相机将天空中的10个区域选定为“深场”，并在整个观测过程中对其反复成像。| 图片来源：Dark Energy Survey
近期公布的结果利用了整个项目中头三年的数据，这里包含345个夜晚观测的2.26亿个星系，从而绘制出了迄今最大、最精确的相对近代星系的分布图。
三
分析DES收集到的大量数据是一项极为艰巨的任务。团队最初从第一年的数据着手。这个过程让研究人员积累了经验，为后来利用更复杂的技术分析更大的数据集做好了准备。
这些分析都非常前沿，需要人工智能和高性能的计算。通过对一亿个较远星系的形状的弱引力透镜研究，科学家绘制出了一幅非常精确的星系与暗物质地图。观测和建模等方面的进步，加上数据量的增加，使团队能够以前所未有的精度确定宇宙的密度和聚集程度。
地图展示了宇宙中暗物质的模式。| 图片来源：N. Jeffrey/Dark Energy Survey collaboration
除了分析弱引力透镜的信号外，DES还精确地测量了其他“探针”，它们都以独立的方式约束着宇宙学模型，比如更大尺度上的星系聚集（重子声学振荡）、大质量星系团的频率，以及对Ia型超新星亮度和红移的高精度测量。这些额外的测量与弱引力透镜分析结合，将对宇宙学标准模型产生更严格的约束。
为了测试目前的宇宙模型，DES科学家将他们的结果与欧洲航天局（ESA）普朗克天文台的测量结果进行了比较。普朗克利用的是被称为宇宙微波背景（CMB）的光信号，它能回溯到大爆炸40万年后的早期宇宙。普朗克的数据给出了130亿年前宇宙的精确视图，而宇宙学标准模型则预测了暗物质至今的演化。如果DES的观测结果与这种预测不符，那么宇宙可能存在着一个尚未被发现的方面。
一个有趣的结果是，无论是DES，还是先前其他一些弱引力透镜项目，包括超广角主焦点照相机巡天（HSC）和千平方度巡天（KiDS）项目，它们的结果都暗示，当前的宇宙比预测的要更“平滑”，引力透镜效应比预期的更小一些，换句话说，暗物质的聚集程度更低。科学家均表示，这是一个值得进一步研究的发现。
但考虑到实验不确定性等因素，团队仍认为，大体上来说，DES的观测结果与宇宙学标准模型的预测是一致的。
四
由于DES研究了附近以及数十亿光年之外的星系，它的地图既提供了当前宇宙大尺度结构的快照，也能够提供过去70亿年中这种结构如何演变的“电影”。
DES已于2019年完成了对夜空的观测。凭借对前半部分数据的分析得到的经验，团队目前正准备处理完整的数据集。DES的最终分析有望描绘出宇宙中暗物质和暗能量的更为精确的图景，他们发展出的新方法也为未来探索宇宙奥秘铺平了道路。
参考来源：
https://news.fnal.gov/2021/05/dark-energy-survey-releases-most-precise-look-at-the-universes-evolution/
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01466-1
https://www.newscientist.com/article/2278932-astronomers-have-created-the-largest-ever-map-of-dark-matter/
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：毛尖尖
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