研究人员研究了一百万个星系，以找出宇宙是如何开始的

往事随风760

图1:从宇宙大尺度结构的观测中获得的图像。黄色到红色显示的众多物体都代表着距离地球数亿光年的星系。这些星系有各种各样的颜色和形状，在浩瀚的太空中数不胜数。这些星系的空间分布和形状模式并不是随机的，而是确实具有“相关性”,这种相关性来自于暴胀所预测的原始种子波动的统计特性。信用:斯巴鲁HSC

（）据东京大学宇宙物理和数学研究所：直到今天，对宇宙微波背景(CMB)和大尺度结构(LSS)的精确观测和分析已经导致建立了宇宙的标准框架，即所谓的λCDM模型，其中冷暗物质(CDM)和暗能量(宇宙常数，λ)是重要的特征。

这一模型提出，原始波动产生于宇宙之初，或者说在早期宇宙中，它充当了触发器，导致了宇宙中包括恒星、星系、星系团在内的万物的产生，以及它们在整个空间中的空间分布。虽然它们产生时非常小，但由于引力的拉力，波动会随着时间的推移而增长，最终形成暗物质的致密区域，或称晕。然后，不同的光环反复碰撞，相互融合，导致星系等天体的形成。

由于星系的空间分布的性质受到最初创造它们的原始波动的性质的强烈影响，所以已经积极地进行了星系分布的统计分析，以从观测上探索原始波动的性质。除此之外，分布在宇宙大范围内的星系形状的空间模式也反映了潜在的原始波动的性质(图1)。

然而，传统的大尺度结构分析只关注星系作为点的空间分布。最近，研究人员开始研究星系形状，因为它不仅提供了额外的信息，还提供了一个不同的视角来研究原始波动的本质(图2)。



图2:宇宙“不同”的原始波动如何导致暗物质不同的空间分布的可视化。中间的图(上下两行共有)显示了参考高斯分布的波动。色阶(蓝色到黄色)对应于该位置(低密度到高密度区域)的波动值。左图和右图显示了稍微偏离高斯分布或非高斯分布的波动。括号中的符号表示偏离高斯性的符号，对应于左边的负(-)偏差和右边的正(+)偏差。顶行是各向同性非高斯性的一个例子。与中心高斯波动相比，左图显示了大的负(深蓝色)区域的增加，而右图显示了大的正(亮黄色)区域的增加。众所周知，我们可以利用观测到的星系的空间分布来寻找这种各向同性的非高斯性。下图显示了各向异性非高斯性的示例。与上部面板中的各向同性情况相比，总体亮度和暗度与中央面板中的高斯波动相比没有变化，但是每个区域的形状发生了变化。我们可以从星系形状的空间模式中寻找这种“各向异性”的非高斯性。信用:栗田&高田

由当时的卡维利宇宙物理和数学研究所(卡维利IPMU)研究生Toshiki Kurita(目前是马普天体物理研究所的博士后研究员)和卡维利IPMU教授高田雅博领导的一个研究小组开发了一种测量星系形状功率谱的方法，该方法通过结合星系空间分布的光谱数据和单个星系形状的成像数据，从星系形状模式中提取关键的统计信息。

研究人员同时分析了来自斯隆数字巡天(SDSS)的大约100万个星系的空间分布和形状模式，这是当今世界上最大的星系巡天。

结果，他们成功地限制了原始波动的统计特性，而原始波动是整个宇宙结构形成的种子。

他们发现两个相距超过1亿光年的星系形状的方向在统计上有显著的一致性(图3)。他们的结果表明，遥远星系之间存在相关性，这些星系的形成过程显然是独立的，没有因果关系。



图3:蓝点和误差线是星系形状功率谱的值。垂直轴对应于两个星系形状之间的相关性强度，即星系形状取向的排列。横轴代表两个星系之间的距离，左(右)轴代表更远(更近)的星系之间的相关性。灰点表示非物理的表观相关性。这个值在误差范围内为零的事实，正如所预料的，证实了蓝色的测量点确实是来自天体物理学的信号。黑色曲线是来自最标准的通货膨胀模型的理论曲线，并且发现它与实际数据点非常一致。信用:栗田&高田

“在这项研究中，我们能够通过从大规模结构数据中获得的众多星系‘形状’的统计分析，对原始波动的属性施加约束。利用星系形状探索早期宇宙物理的研究鲜有先例，研究过程从构想的构建、分析方法的发展到实际的数据分析，都是一系列的试错。

“正因为如此，我面临着许多挑战。但是我很高兴我能够在我的博士项目期间完成它们。我相信这项成果将是利用星系形状开辟宇宙学新研究领域的第一步，”栗田说。

此外，对这些相关性的详细研究证实了它们与膨胀预测的相关性一致，并且没有表现出原始波动的非高斯特征。

“这项研究是俊树博士论文的成果。这是一项了不起的研究成果，我们开发了一种方法，利用星系形状和星系分布来验证宇宙学模型，将其应用于数据，然后测试膨胀的物理学。这是一个以前没有人做过的研究课题，但他完成了所有三个步骤:理论、测量和应用。恭喜你！我感到非常自豪的是，我们能够完成所有三个步骤。不幸的是，我没有发现新的暴胀物理学，但我们为未来的研究开辟了道路。我们可以期待使用斯巴鲁Prime Focus摄谱仪打开进一步的研究领域，”高田说。

这项研究的方法和结果将允许研究人员在未来进一步检验膨胀理论。