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宇宙组成与变迁获最精确测量:横跨70亿光年,观测到了超过2.26亿个星系

前瞻网    2021-06-03 11:42

随着29篇新论文的陆续发表,有史以来最大的宇宙学调查——暗能量巡天(Dark Energy Survey,DES)团队的部分结果已经发布。DES项目组最新发表了一系列天文学重要成果。

DES观测从2013年到2019年历时6年,共观测了758个夜晚,超过1/8的夜空,横跨70亿光年的宇宙。5月27日发布的结果包含了对该观察期前半部分数据的分析,并已经在2017年发布了第一年的结果。

宇宙组成与变迁获最精确测量:横跨70亿光年,观测到了超过2.26亿个星系

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。

这项调查包括了来自7个国家25个机构的400名科学家,即使只使用了一半的数据,也观测到了超过2.26亿个星系。这些观测是用智利Cerro Tololo美洲天文台的Victor M Blanco望远镜完成的。Blanco望远镜的宽度为4米,分辨率为5.7亿像素,几乎是标准iPhone摄像头的50倍。

在此次发布的成果中,其中一项是,他们利用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最为精确的测量。这一研究既给出了当前宇宙大尺度结构的“快照”,亦提供了过去70亿年中结构演变的“电影”。

这样“高能”的观测能力,对于收集数据来说的确非常有益,但科学家们需要知道收集到数据后要做什么。根据费米实验室的一份新闻稿,这次调查的目标是“量化暗物质的分布和暗能量的影响”,费米实验室建造并测试了这次调查中使用的照相机——Dark Energy Camera。

这两个鲜为人知的宇宙特征(暗物质+暗能量),占了宇宙中未知“物质”的95%。尽管它们很普遍,但它们很难被发现,因此被称为“黑暗”。然而,DES提供了以往对这些鲜为人知的现象的一些特征的更深入的了解。“能够精确测量宇宙之外的东西,并更好地了解宇宙从婴儿期到现在的变化,这是令人兴奋的。”

为了量化暗物质的分布和暗能量的影响,研究人员主要依赖于两种现象:宇宙网(cosmic web)和弱引力透镜(weak gravitational lensing)。

首先,在大尺度上,星系不是在空间中随机分布的,而是由于暗物质的引力而形成网状结构。DES测量了宇宙网在宇宙的历史中是如何演变的。形成宇宙网(cosmic web)的星系团依次揭示了暗物质密度更高的区域。

通过研究遥远星系的外观形状如何相互对齐,以及在视线范围内附近星系的位置,DES科学家能够推断出宇宙中暗物质的聚集性。

第二,DES通过弱引力透镜(weak gravitational lensing)探测到暗物质的特征。

当来自遥远星系的光穿越太空时,前景中的普通物质和暗物质的引力都会使其路径弯曲,就像通过一个透镜一样,从而产生从地球上看到的扭曲的星系图像。

众所周知,要计算透镜的影响是非常困难的——红移是天文观测的一个特征,遥远的物体和越来越远的物体发出的光似乎移到了光谱的红色部分。它因混淆诸如引力透镜或甚至聚类本身等特征的观测数据而臭名昭著。

为了解决这个问题,DES团队提出了一种新的校准技术。他们选择了10个不同的天空区域进行“深场”搜索,这样他们就可以看到比正常观测区域更远的星系。然后,他们使用这些深视场中计算出的红移值来校准其余观测天空中的红移值。

更多的数据对于理解宇宙现象总是更有用。DES团队还分析了许多其他现象,包括重子声振荡,大质量星系团的频率测量,以及在调查中捕捉到的Ia型超新星的一些特征的计算。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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