空前廣泛而精確的暗物質地圖

驚奇 03-03

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【博科園-科學科普】一個由多個研究所組成的研究小組，包括日本國立天文台和東京大學，根據最新獲得的影像資料，在斯巴魯望遠鏡上以新獲得的影像資料，發布了一幅前所未有的寬而精確的暗物質圖。暗物質分布由弱引力透鏡技術估計(圖1)。研究小組找到了暗物質光環的位置和透鏡信號，並發現有跡象表明，光環的數量可能與最簡單的宇宙模型所暗示的不一致。這可能是理解為什麼宇宙膨脹正在加速的新線索。

圖1：二維暗物質圖，用弱透鏡技術估計。暗物質集中在稠密的團塊中。我們可以識別大量的暗物質暈(由橘黃色圈表示)，圖中顯示的面積約為30平方米(這一次共觀測到160平方度)，沒有橙色圓圈的分布圖在這裡。圖片版權：NAOJ/University of Tokyo

宇宙膨脹加速的奧秘

在20世紀30年代，埃德溫·哈勃和他的同事們發現了宇宙的膨脹。對於大多數相信宇宙在永恆中保持不變的人來說，這是一個巨大的驚喜。為了用數學方法表達宇宙的膨脹，需要一個有關物質和時空幾何的公式。巧合的是，愛因斯坦已經發明了這樣一個公式。現代宇宙學是以愛因斯坦的引力理論為基礎的。因為宇宙的內容相互吸引，所以人們認為膨脹會隨著時間的推移而減速(圖2中的藍色和紅色線)。但在20世紀90年代末，人們發現自大約8千年前開始，這種擴張一直在加速。

這是另一個讓天文學家們感到驚訝的事情，他們的發現獲得了2011年的諾貝爾獎。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。最簡單的解決辦法是把宇宙常數重新放到愛因斯坦的方程中。宇宙常數最初是由愛因斯坦引入的，用來實現一個靜止的宇宙，但在宇宙膨脹的發現之後被拋棄了。標準的宇宙模型(稱為LCDM)包含了宇宙常數。圖2中的綠線顯示了使用LCDM的擴展歷史。LCDM受到許多觀察的支持，但問題是什麼導致了加速度仍然存在。這是現代宇宙學中最大的問題之一。

廣泛而深入的影像研究使用Hyper Suprime-Cam

該小組正在領導一項大規模的成像調查，使用Hyper Suprime-Cam (HSC)來探測加速宇宙的奧秘。這裡的關鍵是要仔細研究宇宙的膨脹歷史。在早期宇宙中，物質幾乎是均勻分布的。通過宇宙微波背景的溫度波動，可以觀察到密度的微小波動。這些微小的物質波動是由於物質的相互引力而在宇宙時間演化而來的，最終形成了現今宇宙的大尺度結構。眾所周知，結構的增長率很大程度上取決於宇宙如何膨脹。例如如果膨脹率很高，那麼物質很難收縮，增長率也會被抑制。

圖2：宇宙膨脹的歷史。藍線顯示了在宇宙學早期可能出現的情況。後來這個宇宙模型失寵了，因為它預測了更高的增長率和更多的結構，與觀測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。這個光模型也解決了所謂的「年齡問題」，即比藍色軌道預測的宇宙年齡大的球狀星團的存在。但是藍色和紅色的線都與膨脹的宇宙論相衝突。後來當發現宇宙加速時，以綠色軌道為代表的LCDM被認為是最有可能的模型。由於宇宙學常數的增加，LCDM與通貨膨脹模型是一致的。圖片版權：BAOJ

這就意味著，通過對增長率的觀察，可以反反覆復地探測到膨脹的歷史。重要的是要注意，如果我們只觀察可見物質(恆星和星系)，就不能很好地探測生長速率。這是因為我們現在知道近80%的物質是一種被稱為暗物質的隱形物質。該小組採用了「弱引力透鏡技術」。遙遠星系的圖像被前景暗物質分布所產生的引力場稍微扭曲了。系統失真分析使我們能夠重構前景的暗物質分布。

這種技術在觀測上非常苛刻，因為每個星系的畸變通常非常微妙。需要精確的形狀測量模糊和明顯的小星系。這促使該團隊開發了Hyper Suprime-Cam。自2014年3月以來，他們一直在使用Hyper suprimycam進行廣泛的現場成像研究。在2018年2月的這篇文章中，60%的研究已經完成。

空前廣闊和精確的暗物質地圖

在這個版本中，團隊根據2016年4月拍攝的影像數據呈現出了暗物質圖(圖1)。這只是計劃的最終地圖的11%，但是已經是空前的寬了。從未有過如此清晰的暗物質地圖覆蓋如此廣闊的區域。影像學觀察是通過五個不同的濾色器進行的。通過將這些顏色數據結合起來，我們可以粗略地估計到微弱的背景星系(稱為光度紅移)的距離。與此同時，透鏡在距離遙遠的星系和觀測者之間的位置時，透鏡的透鏡效應最為顯著。利用光度計的紅移信息，星系被分成紅移箱。

圖3：通過微弱的引力透鏡技術探測到具有高度重要的暗物質暈的位置的Hyper Suprime-Cam圖像。這個光環是如此巨大，以至於一些背景(藍色)的星系圍繞著光環的中心展開，這叫做強透鏡。圖片版權：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分布，從而獲得三維分布。圖4顯示了一個這樣的例子。30平方度的數據用於重建0.1 (~1.3 G光年)和1.0 (~8 G光年)之間的紅移範圍。在1.0的紅移，角度跨度相當於1.0 G x 0.25 G光年。這個3-D的暗物質質量地圖也很新穎。這是第一次，隨著時間的推移，暗物質數量的增加可以在觀測上看到。

黑暗物質光環的價值和未來的前景

圖4：利用弱透鏡技術結合背景星系的紅移估計，通過層析方法重建暗物質三維分布的一個例子，所有的3D地圖都在這裡。圖片版權：University of Tokyo/NAOJ

研究小組數了暗物質暈的數量，其透鏡信號超過了一定的閾值。這是對增長率最簡單的測量之一。圖5中的直方圖(黑線)顯示了所觀察到的透鏡信號強度與所觀察到的暈圈數，而模型預測則由實心紅線表示。該模型基於標準的LCDM模型，利用宇宙微波背景的觀測作為波動的種子。這個數字表明，暗物質光環的數量比LCDM預期的要少。這可能表明LCDM存在缺陷，可能不得不考慮一個替代方案，而不是簡單的宇宙常數。然而統計意義仍然局限於大誤差條(圖5中直方圖上的垂線)。目前還沒有確鑿的證據來反駁LCDM，但許多天文學家對測試LCDM感興趣，因為差異可能是解開宇宙加速之謎的有益探索。

圖5：暗物質暈的數量與它們的透鏡信號強度(黑直方圖)和來自LCDM的數字計數，以及普朗克衛星最近的CMB觀測結果。圖片版權：NAOJ/University of Tokyo

需要進一步的觀察和分析，以證實這一差異具有更高的意義。還有一些其他的關於增長率的調查，也正在進行(例如，星系形狀的角相關)來檢驗標準LCDM的有效性。這些結果於2018年1月1日在日本天文學會出版物《HSC》特刊上發表。這份報告的標題是「從Hyper Suprime-Cam Subaru戰略計劃中抽取的大量剪切選擇的集群樣本，S16A寬領域的大規模地圖。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：斯巴魯望遠鏡，arxiv.org/abs/1802.10290v1

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Subaru Telescope

編譯：中子星

審校：博科園

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