6年观测、3亿星系：史上最详细的三维宇宙图
6年观测、3亿星系：史上最详细的三维宇宙图Original Nature Portfolio
Nature Portfolio Today
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原文作者：Davide Castelvecchi
宇宙学家公布了珍贵的最新测量数据，但仍无法回答宇宙的平滑度为何会超出预期。
迄今规模最大的一次南天（southern sky）观测任务重建了宇宙中质量在不同时间和空间的分布。这些令人惊艳的数据证明暗能量——一股似在推动宇宙加速膨胀的力量——在宇宙历史上一直是恒定的。
5月27日，暗能量巡天（Dark Energy Survey，DES）团队通过线上新闻发布会以及在线发表的多篇论文公布了这一结果。
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布兰科望远镜在2013年至2019年期间将镜头对准了南半球的天空。图为该望远镜的圆顶内部。来源：CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/D）
DES团队在2013年至2019年期间，使用位于智利托洛洛山美洲天文台布兰科（Víctor M. Blanco）望远镜的一架5.7亿像素的相机进行了巡天观测。此次观测覆盖了四分之一的南天天空，拍摄了3亿个星系。
“这个数据集实在是太强大了。”英国爱丁堡大学天文学家Catherine Heymans感叹道。
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来源：N. Jeffrey/Dark Energy Survey collaboration
研究人员将这些星系按颜色分组，以便对每个星系与地球的距离有一个粗略估计：随着宇宙的膨胀，遥远星系看起来偏红，因为它们发出的光波被拉伸到更长的波长。通过这种方式，该团队为其地图增加了第三个维度。
观测远方相当于观测过去，因此，三维宇宙图俨然一份对宇宙历史的记录。通过追踪星系分布随时间的变化，宇宙学家就能间接地测量其背后的驱动力，包括暗物质的引力——不可见的暗物质占到宇宙总质量的约80%，主导着星系和星系团的形成。
扭曲的星系
为了更好地揭示暗物质的存在，DES团队分析了1亿个遥远星系的形状。由于引力会使空间弯曲，通过观测附近区域暗物质的引力如何挤压遥远星系的图像——即弱引力透镜效应（weak gravitational lensing），宇宙学家就能确定附近区域大量暗物质的聚集位置。"我们发现背景星系的图像发生了很小的扭曲。"DES成员Alexandra Amon在线上新闻发布会中解释道。
通过对星系和暗物质进行三维测绘，研究人员还能研究暗能量这股推动宇宙加速膨胀的力量。这股神秘力量的性质一直是宇宙学中重要的待解之谜。目前为止的所有证据都表明，暗能量在空间和时间上的分布是均匀的，而DES团队对该假说进行了迄今最严格的验证。结合其他观测数据后，DES团队将其三维宇宙图的误差减小到了3%左右，DES成员、美国杜克大学的Michael Troxel说。
DES团队主要成员、伦敦大学学院的Ofer Lahav说，这一结果是宇宙学标准模型的一次 "胜利"——因为标准模型认为暗能量是恒定的。
这将给支持其他非标准模型的宇宙学家带来困难。一些非标准模型认为，暗能量是一种在未来可能会消失的"有形介质"。
比预期更平滑
DES团队还发现宇宙比预想的略平滑一些——证实了该团队2017年报道的结果。“从宇宙的运行法则看，透镜效应一直偏低。”美国Kavli粒子天体物理和宇宙学研究所的宇宙学家Amon说。
除了DES团队外，另外两个大型弱透镜项目也报告了类似的奇怪结果——这两个项目分别为日本国家天文台利用位于夏威夷莫纳克亚的昴星团望远镜开展的Hyper Suprime-Cam巡天，以及由Heymans领导的利用欧洲南方天文台在智利的其中一个望远镜开展的Kilo-Degree巡天。这三个项目发现的透镜效应都比宇宙学标准模型预测的稍弱——相应的，暗物质的聚集度也略低。
考虑到实验误差后，测量结果与标准模型则基本一致。Heymans认为一个有意思的做法是把这三个弱引力透镜的观测结果综合起来，计算出更精确的可能误差。
DES团队还有更多的数据有待公布——这次的最新结果来自第一个三年里采集的数据，而整个采集工作历时了六年。从明年开始，两个新天文台的加入将给宇宙学的发展带来重大飞跃——一个是智利的Vera Rubin天文台，另一个是欧洲航天局的Euclid太空望远镜。两者都将以空前的深度开展弱引力透镜研究，而且“将覆盖整片天空"。Heymans说。
参考文献：1. Jeffrey, N. et al. Mon. Not. R. Astron. Soc. https://doi.org/10.1093/mnras/stab1495 (2021).
原文以The most detailed 3D map of the Universe ever made标题发表在2021年5月28日的《自然》的新闻版块上© naturedoi: 10.1038/d41586-021-01466-1
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