圖1：二維暗物質(zhì)圖，用弱透鏡技術(shù)估計(jì)。暗物質(zhì)集中在稠密的團(tuán)塊中。我們可以識(shí)別大量的暗物質(zhì)暈(由橘黃色圈表示)，圖中顯示的面積約為30平方米(這一次共觀測(cè)到160平方度)，沒(méi)有橙色圓圈的分布圖在這里。圖片版權(quán)：NAOJ/University of Tokyo

宇宙膨脹加速的奧秘

在20世紀(jì)30年代，埃德溫·哈勃和他的同事們發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹。對(duì)于大多數(shù)相信宇宙在永恒中保持不變的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的驚喜。為了用數(shù)學(xué)方法表達(dá)宇宙的膨脹，需要一個(gè)有關(guān)物質(zhì)和時(shí)空幾何的公式。巧合的是，愛(ài)因斯坦已經(jīng)發(fā)明了這樣一個(gè)公式?，F(xiàn)代宇宙學(xué)是以愛(ài)因斯坦的引力理論為基礎(chǔ)的。因?yàn)橛钪娴膬?nèi)容相互吸引，所以人們認(rèn)為膨脹會(huì)隨著時(shí)間的推移而減速(圖2中的藍(lán)色和紅色線)。但在20世紀(jì)90年代末，人們發(fā)現(xiàn)自大約8千年前開(kāi)始，這種擴(kuò)張一直在加速。

這是另一個(gè)讓天文學(xué)家們感到驚訝的事情，他們的發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾獎(jiǎng)。為了解釋加速度，必須考慮宇宙中一些新的東西，它們排斥空間。最簡(jiǎn)單的解決辦法是把宇宙常數(shù)重新放到愛(ài)因斯坦的方程中。宇宙常數(shù)最初是由愛(ài)因斯坦引入的，用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)靜止的宇宙，但在宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)之后被拋棄了。標(biāo)準(zhǔn)的宇宙模型(稱為L(zhǎng)CDM)包含了宇宙常數(shù)。圖2中的綠線顯示了使用LCDM的擴(kuò)展歷史。LCDM受到許多觀察的支持，但問(wèn)題是什么導(dǎo)致了加速度仍然存在。這是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最大的問(wèn)題之一。

廣泛而深入的影像研究使用Hyper Suprime-Cam

該小組正在領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)大規(guī)模的成像調(diào)查，使用Hyper Suprime-Cam (HSC)來(lái)探測(cè)加速宇宙的奧秘。這里的關(guān)鍵是要仔細(xì)研究宇宙的膨脹歷史。在早期宇宙中，物質(zhì)幾乎是均勻分布的。通過(guò)宇宙微波背景的溫度波動(dòng)，可以觀察到密度的微小波動(dòng)。這些微小的物質(zhì)波動(dòng)是由于物質(zhì)的相互引力而在宇宙時(shí)間演化而來(lái)的，最終形成了現(xiàn)今宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。眾所周知，結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)率很大程度上取決于宇宙如何膨脹。例如如果膨脹率很高，那么物質(zhì)很難收縮，增長(zhǎng)率也會(huì)被抑制。

圖2：宇宙膨脹的歷史。藍(lán)線顯示了在宇宙學(xué)早期可能出現(xiàn)的情況。后來(lái)這個(gè)宇宙模型失寵了，因?yàn)樗A(yù)測(cè)了更高的增長(zhǎng)率和更多的結(jié)構(gòu)，與觀測(cè)到的星系分布不一致。因此提出了一種更輕的宇宙模型，由紅線表示。這個(gè)光模型也解決了所謂的“年齡問(wèn)題”，即比藍(lán)色軌道預(yù)測(cè)的宇宙年齡大的球狀星團(tuán)的存在。但是藍(lán)色和紅色的線都與膨脹的宇宙論相沖突。后來(lái)當(dāng)發(fā)現(xiàn)宇宙加速時(shí)，以綠色軌道為代表的LCDM被認(rèn)為是最有可能的模型。由于宇宙學(xué)常數(shù)的增加，LCDM與通貨膨脹模型是一致的。圖片版權(quán)：BAOJ

這就意味著，通過(guò)對(duì)增長(zhǎng)率的觀察，可以反反復(fù)復(fù)地探測(cè)到膨脹的歷史。重要的是要注意，如果我們只觀察可見(jiàn)物質(zhì)(恒星和星系)，就不能很好地探測(cè)生長(zhǎng)速率。這是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在知道近80%的物質(zhì)是一種被稱為暗物質(zhì)的隱形物質(zhì)。該小組采用了“弱引力透鏡技術(shù)”。遙遠(yuǎn)星系的圖像被前景暗物質(zhì)分布所產(chǎn)生的引力場(chǎng)稍微扭曲了。系統(tǒng)失真分析使我們能夠重構(gòu)前景的暗物質(zhì)分布。

這種技術(shù)在觀測(cè)上非常苛刻，因?yàn)槊總€(gè)星系的畸變通常非常微妙。需要精確的形狀測(cè)量模糊和明顯的小星系。這促使該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了Hyper Suprime-Cam。自2014年3月以來(lái)，他們一直在使用Hyper suprimycam進(jìn)行廣泛的現(xiàn)場(chǎng)成像研究。在2018年2月的這篇文章中，60%的研究已經(jīng)完成。

空前廣闊和精確的暗物質(zhì)地圖

在這個(gè)版本中，團(tuán)隊(duì)根據(jù)2016年4月拍攝的影像數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出了暗物質(zhì)圖(圖1)。這只是計(jì)劃的最終地圖的11%，但是已經(jīng)是空前的寬了。從未有過(guò)如此清晰的暗物質(zhì)地圖覆蓋如此廣闊的區(qū)域。影像學(xué)觀察是通過(guò)五個(gè)不同的濾色器進(jìn)行的。通過(guò)將這些顏色數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，我們可以粗略地估計(jì)到微弱的背景星系(稱為光度紅移)的距離。與此同時(shí)，透鏡在距離遙遠(yuǎn)的星系和觀測(cè)者之間的位置時(shí)，透鏡的透鏡效應(yīng)最為顯著。利用光度計(jì)的紅移信息，星系被分成紅移箱。

圖3：通過(guò)微弱的引力透鏡技術(shù)探測(cè)到具有高度重要的暗物質(zhì)暈的位置的Hyper Suprime-Cam圖像。這個(gè)光環(huán)是如此巨大，以至于一些背景(藍(lán)色)的星系圍繞著光環(huán)的中心展開(kāi)，這叫做強(qiáng)透鏡。圖片版權(quán)：NAOJ

利用這種分組的星系樣本，利用層析成像方法重建暗物質(zhì)分布，從而獲得三維分布。圖4顯示了一個(gè)這樣的例子。30平方度的數(shù)據(jù)用于重建0.1 (~1.3 G光年)和1.0 (~8 G光年)之間的紅移范圍。在1.0的紅移，角度跨度相當(dāng)于1.0 G x 0.25 G光年。這個(gè)3-D的暗物質(zhì)質(zhì)量地圖也很新穎。這是第一次，隨著時(shí)間的推移，暗物質(zhì)數(shù)量的增加可以在觀測(cè)上看到。

黑暗物質(zhì)光環(huán)的價(jià)值和未來(lái)的前景

圖4：利用弱透鏡技術(shù)結(jié)合背景星系的紅移估計(jì)，通過(guò)層析方法重建暗物質(zhì)三維分布的一個(gè)例子，所有的3D地圖都在這里。圖片版權(quán)：University of Tokyo/NAOJ

研究小組數(shù)了暗物質(zhì)暈的數(shù)量，其透鏡信號(hào)超過(guò)了一定的閾值。這是對(duì)增長(zhǎng)率最簡(jiǎn)單的測(cè)量之一。圖5中的直方圖(黑線)顯示了所觀察到的透鏡信號(hào)強(qiáng)度與所觀察到的暈圈數(shù)，而模型預(yù)測(cè)則由實(shí)心紅線表示。該模型基于標(biāo)準(zhǔn)的LCDM模型，利用宇宙微波背景的觀測(cè)作為波動(dòng)的種子。這個(gè)數(shù)字表明，暗物質(zhì)光環(huán)的數(shù)量比LCDM預(yù)期的要少。這可能表明LCDM存在缺陷，可能不得不考慮一個(gè)替代方案，而不是簡(jiǎn)單的宇宙常數(shù)。然而統(tǒng)計(jì)意義仍然局限于大誤差條(圖5中直方圖上的垂線)。目前還沒(méi)有確鑿的證據(jù)來(lái)反駁LCDM，但許多天文學(xué)家對(duì)測(cè)試LCDM感興趣，因?yàn)椴町惪赡苁墙忾_(kāi)宇宙加速之謎的有益探索。

圖5：暗物質(zhì)暈的數(shù)量與它們的透鏡信號(hào)強(qiáng)度(黑直方圖)和來(lái)自LCDM的數(shù)字計(jì)數(shù)，以及普朗克衛(wèi)星最近的CMB觀測(cè)結(jié)果。圖片版權(quán)：NAOJ/University of Tokyo

需要進(jìn)一步的觀察和分析，以證實(shí)這一差異具有更高的意義。還有一些其他的關(guān)于增長(zhǎng)率的調(diào)查，也正在進(jìn)行(例如，星系形狀的角相關(guān))來(lái)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)LCDM的有效性。這些結(jié)果于2018年1月1日在日本天文學(xué)會(huì)出版物《HSC》特刊上發(fā)表。這份報(bào)告的標(biāo)題是“從Hyper Suprime-Cam Subaru戰(zhàn)略計(jì)劃中抽取的大量剪切選擇的集群樣本，S16A寬領(lǐng)域的大規(guī)模地圖。

知識(shí)：科學(xué)無(wú)國(guó)界，博科園-科學(xué)科普

參考：斯巴魯望遠(yuǎn)鏡，arxiv.org/abs/1802.10290v1

內(nèi)容：經(jīng)“博科園”判定符合今主流科學(xué)

來(lái)自：Subaru Telescope

編譯：中子星

審校：博科園

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