破譯宇宙中最古老光：微小扭曲揭示宇宙網中更清晰的線索

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科學家們已經破譯了宇宙最早的光中微弱的扭曲現象，以描繪出我們肉眼看不到的巨大的網狀結構，即所謂的細絲，它是將物質傳送到密集中心(如星系團)的超級高速公路。國際科學團隊，包括來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)和加州大學伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員，分析了來自過去天空研究數據，利用先進的圖像識別技術，在基於重力效應中，識別出這些絲的形狀。他們還使用模型和有關纖維理論來幫助指導和解釋他們的分析。

在這個例子中，宇宙微波背景(CMB)光的軌跡被我們肉眼看不到的絲狀結構彎曲，形成了一種被普朗克衛星(左)所捕獲的弱透鏡效應。研究人員使用電腦來研究這種微弱的CMB透鏡，並繪製出一幅細絲的地圖，它的長度通常長達數百光年。圖片：Siyu He, Shadab Alam, Wei Chen, and Planck/ESA

4月9日發表在《自然》雜誌上天文學、細絲詳細探索將有助於研究人員更好地理解宇宙網的形成和演化，宇宙大尺度結構的物質，包括神秘看不見的東西——被稱為暗物質，占宇宙總質量的85%。暗物質構成了細絲——研究人員通常會在數億光年的範圍內進行拉伸和彎曲——而所謂的「光環」則是由宇宙的細絲網提供。對這些細絲更多研究可以為暗能量提供新的見解，暗能量是宇宙加速膨脹的另一個奧秘。長絲特性也可以將引力理論引入到測試中，包括愛因斯坦的廣義相對論，並提供了重要的線索，以幫助解決在宇宙中存在可見物質的明顯失配——「失蹤重子問題」。

伯克利實驗室的資深科學家、卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的物理學副教授雪莉·豪(Shirley Ho)說：通常研究人員不會直接研究這些細絲——會觀察觀測中的星系，用同樣的方法找到了雅虎和谷歌用於圖像識別的燈絲，比如識別街道標識的名字，或者在照片中找到貓。重子振動光譜的研究使用的數據調查，一個地面巡天捕獲光從大約150萬個星系研究宇宙膨脹和物質的圖案分布在宇宙中，在聲波的傳播或「重子的聲學振蕩。早期宇宙中蕩漾。由伯克利實驗室的科學家擔任主要角色的「BOSS survey team」製作了一份可能的絲結構目錄，該目錄將研究人員從最新研究中提取的物質串接在一起。

宇宙網中的長絲結構在不同的時間周期顯示，從宇宙的123億歲(左)到宇宙74億歲(右)。該動畫的佔地面積為7500平方米。對於用藍色表示的燈絲結構來說，證據最為有力，其他可能的燈絲結構有紫色、紫紅色和紅色。圖片：Yen-Chi Chen and Shirley Ho

研究人員還依賴於宇宙微波背景(CMB)的精確的、基於空間的測量，而CMB是宇宙第一個光的幾乎一致的殘餘信號。雖然這個光信號在整個宇宙中非常相似，但在之前的調查中有規律的波動。在最新的研究中，研究人員關注的是CMB的模式波動，他們使用複雜的計算機演算法來尋找在CMB(被稱為弱透鏡效應)中，由於CMB光穿過物質而產生的弱透鏡效應。

由於星系生活在宇宙最密集的區域，所以從CMB光的偏轉中發出微弱的透鏡信號是最強烈的。暗物質存在於這些星系周圍的光環中，也被認為是從那些密度更大的區域擴散開來的。我們知道這些細絲也應該引起的，將產生一個可衡量的弱引力透鏡信號，該研究的主要作者是卡耐基梅隆大學的博士研究員——她現在在伯克利實驗室也是隸屬於加州大學伯克利分校。

研究小組使用統計技術來識別和比較「脊」，或者更高密度的點，理論告訴他們，這些「脊」會指向絲狀物的存在。我們不僅僅是試圖『連接這些點』——試圖在密度中找到這些隆起，在密度上的局部最大點。用其他的絲和星系團數據，以及基於觀察和理論的模擬細絲來檢查他們的發現。該團隊使用了在伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心(NERSC)生成的大型宇宙模擬，以檢查測量中的誤差。

（圖為研究模擬視頻截圖）

這些細絲和它們的連接可以隨著時間的變化而改變形狀和連接。引力拉力和宇宙膨脹的相互作用可以縮短或延長細絲。該研究的作者之一米勒是一個加州大學伯克利分校的物理宇宙中心的博士後研究員西蒙尼·費拉羅說：絲這個積分宇宙網的一部分，儘管目前尚不清楚什麼是底層暗物質和纖維之間的關係，這是這項研究的主要動機。來自現有實驗的新數據，以及新一代的天空調查，如伯克利實驗室領導的暗能量光譜儀器(DESI)，現在正在位於亞利桑那州的Kitt Peak國家天文台的建設中，應該提供關於這些細絲的更詳細的數據。

研究人員注意到，這一重要的研究步驟，也應該有助於重點研究，以確定在細絲、這些氣體的溫度、以及粒子如何進入和運動的機制中所存在的氣體類型，研究還允許他們確定細絲的長度。解決絲結構的問題也可以為細絲周圍空間的空洞的性質和內容提供線索，並幫助其他理論，這些理論是對廣義相對論的修正。也可以使用這些細絲來限制暗能量——它們的長度和寬度可以告訴我們一些關於暗能量的參數。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：Nature Astronomy｜來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

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