超大三維星系圖，精確測定暗能量

本文作者:艾麥樂

宇宙中星系分布三維地圖的一張切片，覆蓋了天空的1/20，寬60億光年，高45億光年，厚5億光年。圖中的每一個小點，都代表著60億年前一個星系的位置，不同的顏色代表它們在這張切片中是更靠近地球（黃色）還是更遠離地球（紫色）。這張切片中包含48741個星系，只佔天文學家繪製的最新宇宙星系分布圖數據量的3%。從圖中可以看到星系的成團分布，它們構成了超星系團，也留下了巨大的空洞。這些大尺度結構的根源都來自於宇宙大爆炸後最初的瞬間。圖片來源：Daniel Eisenstein 及SDSS-III合作團隊

來自斯隆數字巡天Ⅲ期（SDSS-III）的數百位科學家協手合作，繪製出了遙遠星系有史以來最大的三維地圖。接著，這些科學家又利用這幅地圖，對目前正驅動宇宙加速膨脹的暗能量，進行了迄今最為精確的測量。

「我們花了10年時間，測量了遍布1/4天空的120萬個星系的數據，繪製出了650個立方十億光年內宇宙的物質結構。」領導這項研究的科學團隊聯席負責人、美國紐約大學的傑里米·廷克（Jeremy Tinker）說，「這幅地圖讓我們能夠對暗能量在宇宙膨脹中所起的作用進行迄今最好的測量。」

這些新的測量結果由SDSS-III的重子振蕩光譜巡天（Baryon Oscillation Spectroscopic Survey，簡稱BOSS）項目完成。由於受到暗物質施加的引力和暗能量產生的斥力之間持續拉鋸的影響，BOSS發布的這幅地圖讓天文學家能夠測量宇宙膨脹的速率，進而測定今天的宇宙中物質和暗能量所佔的比例。描述這些結論的一系列論文，本周已經投稿給了《皇家天文學會月報》（the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）。

BOSS用來測量宇宙膨脹速率的方法是，在星系的三維分布地圖中，測定重子聲學振蕩（baryon acoustic oscillation，BAO）的尺寸。重子聲學振蕩的原始尺寸由早期宇宙中傳播的壓力波決定，在宇宙年齡只有40萬年時，這些波被凍結在宇宙的物質分布模式之中。（相比之下，今天的宇宙年齡為138億年）。最終的結果就是，星系和星系的間隔傾向於一個特定的距離，天文學家稱之為聲學尺度。

大爆炸後40萬年時的聲學尺度大小，在對宇宙微波背景輻射的觀測中已經得到了精巧的測定，那些背景輻射正是壓力波被凍結的同時釋放出來的光。測量自那時以來宇宙中的星系分布，讓天文學家能夠測量暗物質和暗能量如何競相掌控宇宙膨脹的速率。

德國馬普學會地外物理研究所的阿列爾·桑切斯（Ariel Sanchez）領導的研究，在BOSS數據的基礎上估算了暗物質和暗能量的確切數據。他解釋說，「測量宇宙歷史不同階段的聲學尺度，提供了一把直接可用的標尺，能夠用來測量宇宙的膨脹速率。有了BOSS的這幅三維地圖，我們能夠在距今20億年前到70億年前的時間跨度之內，在星系的分布模式之中追尋重子聲學振蕩留下的微妙印記。」

英國聖安德魯斯大學的麗塔·特里歐（Rita Tojeiro），是除廷克以外，BOSS星系成團研究組的另外一位聯席負責人。她解釋說，「如果把我們巡天觀測的範圍等比例縮小成一個邊長1英里（約1.6千米）的立方體，那麼單個星系可見的部分就只有大約1毫米寬。在分析這幅地圖時我們面臨的挑戰，就相當於在這1立方英里的空間內，找出所有間隔100碼（約91.4米）的星系對，並測量全部這些星系對之間的距離！」

左側的長方形顯示了1000平方度的天空中所含的大約12萬個星系，接近巡天觀測的星系總數的1/10。圖中的第一個點都代表一個星系。對每個星系所作的光譜觀測，將這張二維圖片轉換成了三維的星系分布圖，從我們眼前一直延伸到70億年之前。分布圖中明亮的區域對應於宇宙中星系更多的區域，因此暗物質也較多。那些區域里的額外物質產生出額外的引力，使得這幅分布圖可以用來檢驗愛因斯坦的引力理論。圖片來源： Jeremy Tinker及SDSS-III合作團隊

為了如此精確地測量這些巨大而又古老的壓力波的尺度， BOSS必須要繪製出一幅規模空前到前所未有的星系分布地圖，比此前的巡天繪製過的星系圖大好幾倍。在BOSS項目規劃期間，先前的研究就已經測定，暗能量從大約50億年前開始，便對宇宙膨脹產生了顯著影響。於是，BOSS項目便設定了這樣的目標，要把測量重子聲學振蕩特徵的時間範圍，從那一個時間點之前（距今70億年前）延伸到今天附近（距今20億年前）。

英國朴茨茅斯大學的弗洛里安·博伊特勒（Florian Beutler），是本周投稿的一系列研究論文中兩篇論文的第一作者。他說，「如果暗能量在那段時間內一直在驅動著宇宙膨脹，我們的地圖告訴我們，它隨時間變化的速度非常緩慢，如果它有變化的話——在過去70億年內，它最多只變化了20%。」

美國布魯克海文國家實驗室的何塞·巴斯克斯（Jose Vazquez），將BOSS的結果與其他巡天結合在一起，從中搜尋任何可能暗示存在未解物理現象的證據。他說，「我們的最終結論符合簡潔的宇宙學圖像，進一步加強了過去18年來逐漸建立起來的標準宇宙學模型。」

特里歐小結道，「大爆炸後40萬年的宇宙微波背景輻射，以及70到120億年之後星系的成團分布，重子聲波都在其中留下了印跡，而我們在兩者之間看到了一種戲劇性的關聯。有能力把得到很好理論描述的一種物理效應，從宇宙複合時期一直觀測到今天，這對宇宙學來說堪稱一大福利。」

這幅地圖還揭示出了獨特的跡象，表明由於萬有引力的作用，星系存在一種整體運動，朝著宇宙中物質更多的區域。至關重要的是，觀測到的這種「下落」，用廣義相對論的預言就能夠很好地加以解釋。這一結果支持了如下觀點：宇宙的加速膨脹由最大宇宙尺度上的一種現象（比如暗能量）驅動，而非我們的引力理論出了紕漏。

廷克總結說，「BOSS標誌著宇宙學的一個重要的里程碑，超大空間範圍內精確的成團性測量，結合對原初宇宙微波背景的全面觀測，已經建立起一個堅實的平台，可以用來搜尋標準宇宙學模型的擴展證據。我們期待未來10年內的大型光譜巡天，能夠進一步擴展這一項目。」（編輯：Steed）

編譯來源

斯隆數字巡天官網，Astronomers map a record-breaking 1.2 million galaxies to study the properties of dark energy

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