宇宙標準模型通過了暗能量測量的最精確測試

如果你把種子當成是早期的宇宙，而將樹像現在的宇宙一樣。暗能量測量（DES）的合作剛剛完成，在美國能源部（DOE）費米國家加速器實驗室的美國物理學會粒子與場地部會議上，DES科學家將在8月3日的發布演講中公布對當前大型宇宙結構的最準確的測量。

在智利的Cerro Tololo美洲觀察台的複合照片。圖片版權：Reidar Hahn / Fermilab

這些對當今宇宙中暗物質量（或分布）的量度（或分布）的測量精確度是這樣的，即第一次與歐洲航天局的軌道平原天文台的早期宇宙的推論相反。新的DES結果（上述比喻中的樹）接近於普朗克測量遙遠的過去（種子）所做的「預測」，使科學家能夠更深入地了解宇宙的發展方式，超過140億年。

（首席科學家之一）Fermilab的Scott Dodelson說這個結果是令人興奮的，第一次我們能夠以相同的清晰度看到宇宙的當前結構，我們可以看到它的起步階段，我們可以跟隨線程從一個到另一個，確認了許多預測。最值得注意的是，這個結果支持了26％的宇宙是神秘的暗物質的形式構成的理論，空間充滿了一種看不見的暗能量這導致了宇宙的加速擴張。

天體物理學家對宇宙的年齡有相當精確的認識： 這是來自暗能量測量(DES) 的新成果的結論，這是一項大型的國際科學合作，包括能源部 SLAC 國家加速器實驗室的研究人員，它將宇宙結構的形成和演化模型進行了最精確的測試。

暗物質由2600萬星系的引力透鏡測量而成的暗能量測量圖。紅色區域比一般的暗物質多, 藍色區域較暗物質少。圖片版權：Chihway Chang /芝加哥大學/ DES合作

測量的研究人員分析了來自2600萬星系的光，研究宇宙中的結構在過去的70億年中是如何發生了變化的-一半是宇宙的年齡。數據採用了與智利的Cerro Tololo美洲觀測台的4米Victor M. Blanco望遠鏡相連的570萬像素攝像機DECAM。

以前對宇宙學模型的最精確的測試來自於歐洲航天局的普朗克衛星的測量，這是所謂的宇宙微波背景（CMB）在大爆炸後38萬年的天空中發出微弱的光芒。

美國宇航局愛因斯坦博士後研究員丹尼爾·格倫（Daniel Gruen）說：普朗克考察了早期宇宙的結構，測量的結構發展得很晚，這些結構從宇宙的早期到今天的增長與我們的模型預測一致，表明我們可以很好地描述宇宙演化。

丹尼爾·格倫根據美國能源部費米國家加速器實驗室的美國物理學會二零零七年微粒子與場地會議，介紹五年長期調查數據第一年的結果。（KIPAC的教師Risa Wechsler是DES的創始成員）他說：首次從星系調查中出發的關鍵宇宙學參數的精度與宇宙微波背景的測量結果相當，這使我們能夠獨立測試我們的模型，並結合兩種方法以前所未有的精度獲得參數值。

由DES協作組織與Blanco望遠鏡上安裝的DECAM拍攝的圖像，圖片版權：DES Collaboration

最大的質量分布圖

稱為Lambda-CDM的宇宙學標準模型包括兩個關鍵成分，冷暗的物質（CDM）是一種比常規物質普遍的五倍的隱形物質，它們聚集在一起並且是形成諸如星系和星系團的結構的核心，宇宙學常數Lambda描述了由被稱為暗能量的未知力驅動的宇宙的加速膨脹。

天體物理學家需要對模型的精確測試，因為它的成分不完全確定。暗物質從未被直接檢測到，暗能量更神秘，不知道它實際上是一個常數還是隨著時間的推移而變化。

DES現在已經成功地進行了這樣的精密測試，科學家們利用這樣一個事實，即遙遠的星系的圖像在前景中被星系的重力稍微扭曲了，這個稱為弱引力透鏡的效應。這種分析導致了在宇宙中分布質量（包括常規和暗物質）以及隨時間推移的最大的地圖。

在小於5％的誤差範圍內普朗克和DES的結果與Lambda-CDM相一致，Risa Wechsler說：這也意味著到現在為止，我們不需要任何東西，只能用一種不斷形成的暗能量來形容宇宙的擴張史。

KIPAC的主要貢獻

除了領導弱透鏡工作組的Gruen和Wechsler，他們的小組提供了對對宇宙學分析的幾個方面進行關鍵測試的現實模擬，大量的KIPAC科學家，博士後研究員，研究生和校友已經做出了對DES的重要貢獻，從建立儀器到開發理論和模擬並分析數據。

布蘭科望遠鏡圓頂和銀河系。圖片版權：Reidar Hahn /費米國家加速器實驗室

例如博士後的伊麗莎白·克勞斯（Elisabeth Krause）領導了DES理論和組合探測工作組。在這個角色中，她負責開發與DES數據獲得的實驗精度相匹配的理論模型。這涉及編寫計算機代碼以計算給定模型的弱重力透鏡應該是什麼樣的。

她說：不同的人制定出不同的代碼，這意味著做同樣的事情。我幫助代碼開發人員一起來交叉檢查其結果，並確保我們獲得最精確的理論代碼。創建質量分布圖的另一個關鍵是準確地確定與觀測星系的距離，通常是從分析來自這些物體或爆炸星的光的屬性的獨立調查得出的信息。

我們已經表明我們可以使用某些紅色星系的顏色，紅移可以用哈勃定律確定他們離開的距離，SLAC工作人員科學家Eli Rykoff說在這部分分析中起主導作用。事實證明如果我們映射這些紅色星系在天空中的位置，我們可以使用它們來校準研究中使用的鏡頭和背景星系的距離。

這個NGC 1398星系的圖像是用暗能量攝影機拍攝的，該星系生活在Fornax集群中，距離地球大約6500萬光年，直徑13.5萬光年略大於我們自己的銀河系，包含超過十億顆恆星。圖片版權：Dark Energy Survey

走向更深的宇宙見解

在不久的將來更多的DES數據將允許天體物理學家以更精確的方式來測試其宇宙學模型。調查前三年收集的數據分析將很快開始，第五年的觀察工作也將很快進行。研究人員說有了更好的數據，我們可能會發現是否需要修改相對簡單的Lambda-CDM模型。

針對DES開發的方法及其研究人員正在獲得的經驗也將有利於不斷發展的實驗的自然流程，SLAC DES集團負責人Kristall教授說，兩人將為將來的觀測做準備包括與大型天文觀測望遠鏡（LSST）的測量觀測，天文物理學家隨著它在SLAC正在建設的3.2千兆像素攝像機，將能夠像以前一樣探索宇宙的深度。

來源： SLAC國家加速器實驗室

編譯：卿君側，審校：博科園

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