Nature发布最详细的3D宇宙地图：“扭曲”的银河、“平滑”的宇宙，以及一成不变的暗物质

作者 | 陈彩娴

昨日，Nature报道了一项欧洲“暗能量调查”（Dark Energy Survey，简称“DES”)团队在宇宙观测上所取得的最新研究结果：他们的数据提供了惊人的证据，表明暗能量（一股似乎不断在推动宇宙、加速其膨胀的力量）在整个宇宙历史中的状态一直保持不变。

在这项计划为期6年的调查中，DES 团队在智利托洛洛山美洲际天文台中使用了Víctor M. Blanco望远镜中的570 兆像素相机观测2013年至2019年的天空。他们通过观测南方的天空，重建了质量/团（mass）如何跨时空分布。

今年是这项调查进行的第三年。他们的调查覆盖了南方天空的四分之一，揭示了 3 亿个银河系。英国爱丁堡大学的天文学家 Catherine Heymans 评论道：“这是一个非常强大的数据集。”

研究人员按照颜色对银河系进行分组，以大约估算每个星系与地球的距离：随着宇宙的膨胀，距离地球较远的星系看起来会更红，因为它们的光波已经延伸出的波长更长。采用这个方式，DES团队能够在他们原先的宇宙地图中添加第三个维度（即3D）。

看得更远，相当于回顾过去，所以 3D 宇宙图能够提供宇宙历史的记录。通过跟踪银河系如何随着时间的推移而产生分布变化，宇宙学家可以间接测试推动银河系分布变化的不同力量。这些力量中就包含了暗物质的引力作用。暗物质无法为肉眼可见，但占了宇宙质量的 80% 左右，主宰了银河系和星系团的形成。

Nature称：这是有史以来最详细的3D宇宙地图！

1 DES观测宇宙计划

DES是谁？我们可以先看下这份名单……

事实上，DES团队的人员名单更长，由超过400名研究人员组成。他们从2013年开始收集数据，在智利托洛洛山美洲际天文台中使用Víctor M. Blanco望远镜中的570 兆像素相机观测天空，曾在2017年基于2013年至2014年的测量绘制出第一幅宇宙地图：

这幅地图包含了2600万个星系的变面形状，其中包含距离地球约 2000 万秒差距的 NGC 1398。

根据爱因斯坦的广义相对论，质量会扭曲空间。因此，星系的前景中，大量物质可以使光线弯曲，从而使星系看起来略微被压扁。无论前景中的质量是由普通物质还是暗物质组成，都会出现这种情况。

由于某些原因，星系可能会被压扁，包括它们的实际形状与方向。但是，如果天空中某个区域的许多星系似乎都在沿同一方向倾斜，那么引力透镜效应可能是罪魁祸首。

在2017年的地图上，他们发现宇宙中星系的分布比想象中要均匀。通过测量质量如何弯曲光（即“弱引力透镜效应”），DES还能绘制出物质的分布图。

这些年来，他们一直在“The Dark Energy Survey”的网站上更新它们对宇宙的观测进展：

网站地址：https://www.darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/

今日，他们的最新研究展示了基于DES第三年收集的弱引力透镜数据集的重建收敛图、质量图，被权威期刊Oxford Academic收录：

论文链接：https://academic.oup.com/mnras/advance-article-abstract/doi/10.1093/mnras/stab1495/6287258?redirectedFrom=fulltext

质量图是观测星系前景中密度场（主要是暗物质）的加权投影。DES团队使用了四种重建方法：Kaiser-Squires、空 B 模式先验、高斯先验和稀疏先验，每种方法都是对地图先验概率使用不同模型的最大后验估计。

他们使用真实 ΛCDM 模拟的方法与跟DES第三年数据紧密匹配的模拟数据进行比较。此外，他们在地图上量化方法的表现，然后将重建方法应用于DES第三年数据，对系统误差影响进行测试。这些地图与光学前景宇宙网结构进行比较，并用于评估来自宇宙空洞剖面的透镜信号。在这种方法下，新的暗物质图覆盖了迄今为止任何星系弱透镜图的最大天空部分。

2 “扭曲”的银河、“平滑”的宇宙

为了更好地揭示暗物质的存在，DES 团队分析了 1 亿个距离地球更遥远的星系的形状。

由于引力会将空间弯曲，宇宙学家通过观察星系的引力如何挤压更远星系的图像（这种现象叫做“弱引力透镜”），能够绘制出宇宙较近区域大量暗物质浓度的地图。DES 的Alexandra Amon解释：“我们观察到的星系图像有点扭曲。”

通过以 3D 方式绘制星系和暗物质，研究人员还能同时研究暗能量的性质。

暗能量的属性一直是宇宙学中的重要问题之一。迄今为止，所有证据都表明暗能量在所有空间和时间中都是一致的，而 DES 的最新研究提供了对该假设最严格的测试。来自北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的DES的成员Michael Troxel谈到：与其他的调查数据相结合，他们的 3D 地图能够将该假设的误差降低到 3% 左右。

来自伦敦大学学院的 DES 领导成员Ofer Lahav 自豪地表示，这是宇宙学中假设暗能量恒定的模型的胜利。这也削弱了宇宙学中其他人提出的“暗能量是一种在未来随时可能消亡的‘有形介质’”的观点。

DES 的研究还有一个新的发现：宇宙比预想的要稍微平滑。

这也更加证实了他们在2017年的报告中首次提出的观点：“与宇宙所要求的相比，透镜一直很低。”加利福尼亚门洛帕克Kavli粒子天体物理和宇宙学研究所的宇宙学家Amon解释道。 透镜低，也意味着暗物质的浓度更低。

除了DES，还有两个重要的弱透镜项目也发表了令人费解的类似结果。它们分别是由位于夏威夷莫纳克亚国家天文台的日本斯巴鲁望远镜完成的Hyper Suprime-Cam Survey，以及由知名宇宙学家 Heymans 领导的、在智利一个欧洲南方天文台望远镜进行的Kilo-Degree Survey。这三项调查都发现了透镜略低于流行的宇宙学模型所预想的。

即使考虑到实验的不确定性，测量结果也与标准的模型大体一致。Heymans 说，将三项弱透镜调查的结果合并到一项分析中，可以更精确地衡量可能的差异。

从明年开始，宇宙学将通过两个新的天文台——位于智利的维拉鲁宾天文台和位于欧洲航天局的欧几里德太空望远镜——实现更重大的飞跃。Heymans介绍，两家公司都将进行前所未有的深度弱透镜研究，“他们将24小时进行这项工作。”

参考链接：

1、https://www.nature.com/articles/d41586-021-01466-1

2、https://www.nature.com/news/cosmic-map-reveals-a-not-so-lumpy-universe-1.22413

3、https://www.darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/