空前广泛而精确的暗物质地图

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【博科园-科学科普 】一个由多个研究所组成的研究小组，包括日本国立天文台和东京大学，根据最新获得的影像资料，在斯巴鲁望远镜上以新获得的影像资料，发布了一幅前所未有的宽而精确的暗物质图。暗物质分布由弱引力透镜技术估计(图1)。研究小组找到了暗物质光环的位置和透镜信号，并发现有迹象表明，光环的数量可能与最简单的宇宙模型所暗示的不一致。这可能是理解为什么宇宙膨胀正在加速的新线索。

图1：二维暗物质图，用弱透镜技术估计。暗物质集中在稠密的团块中。我们可以识别大量的暗物质晕(由橘黄色圈表示)，图中显示的面积约为30平方米(这一次共观测到160平方度)，没有橙色圆圈的分布图在这里。图片版权：NAOJ/University of Tokyo

宇宙膨胀加速的奥秘

在20世纪30年代，埃德温·哈勃和他的同事们发现了宇宙的膨胀。对于大多数相信宇宙在永恒中保持不变的人来说，这是一个巨大的惊喜。为了用数学方法表达宇宙的膨胀，需要一个有关物质和时空几何的公式。巧合的是，爱因斯坦已经发明了这样一个公式。现代宇宙学是以爱因斯坦的引力理论为基础的。因为宇宙的内容相互吸引，所以人们认为膨胀会随着时间的推移而减速(图2中的蓝色和红色线)。但在20世纪90年代末，人们发现自大约8千年前开始，这种扩张一直在加速。

这是另一个让天文学家们感到惊讶的事情，他们的发现获得了2011年的诺贝尔奖。为了解释加速度，必须考虑宇宙中一些新的东西，它们排斥空间。最简单的解决办法是把宇宙常数重新放到爱因斯坦的方程中。宇宙常数最初是由爱因斯坦引入的，用来实现一个静止的宇宙，但在宇宙膨胀的发现之后被抛弃了。标准的宇宙模型(称为LCDM)包含了宇宙常数。图2中的绿线显示了使用LCDM的扩展历史。LCDM受到许多观察的支持，但问题是什么导致了加速度仍然存在。这是现代宇宙学中最大的问题之一。

广泛而深入的影像研究使用Hyper Suprime-Cam

该小组正在领导一项大规模的成像调查，使用Hyper Suprime-Cam (HSC)来探测加速宇宙的奥秘。这里的关键是要仔细研究宇宙的膨胀历史。在早期宇宙中，物质几乎是均匀分布的。通过宇宙微波背景的温度波动，可以观察到密度的微小波动。这些微小的物质波动是由于物质的相互引力而在宇宙时间演化而来的，最终形成了现今宇宙的大尺度结构。众所周知，结构的增长率很大程度上取决于宇宙如何膨胀。例如如果膨胀率很高，那么物质很难收缩，增长率也会被抑制。

图2：宇宙膨胀的历史。蓝线显示了在宇宙学早期可能出现的情况。后来这个宇宙模型失宠了，因为它预测了更高的增长率和更多的结构，与观测到的星系分布不一致。因此提出了一种更轻的宇宙模型，由红线表示。这个光模型也解决了所谓的“年龄问题”，即比蓝色轨道预测的宇宙年龄大的球状星团的存在。但是蓝色和红色的线都与膨胀的宇宙论相冲突。后来当发现宇宙加速时，以绿色轨道为代表的LCDM被认为是最有可能的模型。由于宇宙学常数的增加，LCDM与通货膨胀模型是一致的。图片版权：BAOJ

这就意味着，通过对增长率的观察，可以反反复复地探测到膨胀的历史。重要的是要注意，如果我们只观察可见物质(恒星和星系)，就不能很好地探测生长速率。这是因为我们现在知道近80%的物质是一种被称为暗物质的隐形物质。该小组采用了“弱引力透镜技术”。遥远星系的图像被前景暗物质分布所产生的引力场稍微扭曲了。系统失真分析使我们能够重构前景的暗物质分布。

这种技术在观测上非常苛刻，因为每个星系的畸变通常非常微妙。需要精确的形状测量模糊和明显的小星系。这促使该团队开发了Hyper Suprime-Cam。自2014年3月以来，他们一直在使用Hyper suprimycam进行广泛的现场成像研究。在2018年2月的这篇文章中，60%的研究已经完成。

空前广阔和精确的暗物质地图

在这个版本中，团队根据2016年4月拍摄的影像数据呈现出了暗物质图(图1)。这只是计划的最终地图的11%，但是已经是空前的宽了。从未有过如此清晰的暗物质地图覆盖如此广阔的区域。影像学观察是通过五个不同的滤色器进行的。通过将这些颜色数据结合起来，我们可以粗略地估计到微弱的背景星系(称为光度红移)的距离。与此同时，透镜在距离遥远的星系和观测者之间的位置时，透镜的透镜效应最为显著。利用光度计的红移信息，星系被分成红移箱。

图3：通过微弱的引力透镜技术探测到具有高度重要的暗物质晕的位置的Hyper Suprime-Cam图像。这个光环是如此巨大，以至于一些背景(蓝色)的星系围绕着光环的中心展开，这叫做强透镜。图片版权：NAOJ

利用这种分组的星系样本，利用层析成像方法重建暗物质分布，从而获得三维分布。图4显示了一个这样的例子。30平方度的数据用于重建0.1 (~1.3 G光年)和1.0 (~8 G光年)之间的红移范围。在1.0的红移，角度跨度相当于1.0 G x 0.25 G光年。这个3-D的暗物质质量地图也很新颖。这是第一次，随着时间的推移，暗物质数量的增加可以在观测上看到。

黑暗物质光环的价值和未来的前景

图4：利用弱透镜技术结合背景星系的红移估计，通过层析方法重建暗物质三维分布的一个例子，所有的3D地图都在这里。图片版权：University of Tokyo/NAOJ

研究小组数了暗物质晕的数量，其透镜信号超过了一定的阈值。这是对增长率最简单的测量之一。图5中的直方图(黑线)显示了所观察到的透镜信号强度与所观察到的晕圈数，而模型预测则由实心红线表示。该模型基于标准的LCDM模型，利用宇宙微波背景的观测作为波动的种子。这个数字表明，暗物质光环的数量比LCDM预期的要少。这可能表明LCDM存在缺陷，可能不得不考虑一个替代方案，而不是简单的宇宙常数。然而统计意义仍然局限于大误差条(图5中直方图上的垂线)。目前还没有确凿的证据来反驳LCDM，但许多天文学家对测试LCDM感兴趣，因为差异可能是解开宇宙加速之谜的有益探索。

图5：暗物质晕的数量与它们的透镜信号强度(黑直方图)和来自LCDM的数字计数，以及普朗克卫星最近的CMB观测结果。图片版权：NAOJ/University of Tokyo

需要进一步的观察和分析，以证实这一差异具有更高的意义。还有一些其他的关于增长率的调查，也正在进行(例如，星系形状的角相关)来检验标准LCDM的有效性。这些结果于2018年1月1日在日本天文学会出版物《HSC》特刊上发表。这份报告的标题是“从Hyper Suprime-Cam Subaru战略计划中抽取的大量剪切选择的集群样本，S16A宽领域的大规模地图。

知识：科学无国界，博科园-科学科普

参考：斯巴鲁望远镜，arxiv.org/abs/1802.10290v1

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：Subaru Telescope

编译：中子星

审校：博科园

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传播：博科园

本文选自：今日头条
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