科學家繪制“隱形宇宙”巨幅地圖 尋找暗能量新線索

在人類可見的宇宙圖景之外，約95%的組成來自看不見的暗物質和暗能量，它們既不發光也難以直接探測，卻通過引力和宇宙膨脹悄然左右星系與大尺度結構的演化。 近期，由芝加哥大學等多家機構組成的國際團隊利用暗能量相機（DECam），對上億個星系形狀的微弱畸變進行統計分析，繪制出一幅覆蓋約三分之一全天的“隱形宇宙”新地圖，為檢驗當前主流宇宙學模型帶來關鍵證據。

這項研究基于2013年至2019年間的暗能量巡天（DES）觀測成果，后者安裝在智利塞羅·托洛洛美洲際天文臺4米布蘭科望遠鏡上的暗能量相機，曾精確測量了超過1.5億個星系的形狀，覆蓋約5000平方度天空，相當于全天八分之一。 此前，這些數據已經在檢驗“Λ冷暗物質”（ΛCDM）這一標準宇宙學模型時發揮核心作用，而最新成果則進一步把相機拍攝但原本不在DES正式巡天區域內的大量圖像納入分析，幾乎將可用于弱引力透鏡研究的星系數量翻了一番。

研究團隊在新一輪分析中共測量了逾1億個星系的形狀，并通過光譜向紅偏移量估算它們與地球的距離，從而同時掌握星系在天空中的投影分布與三維深度信息。 這些星系的光在穿越宇宙時會被沿途物質引力輕微“拉扯”，在地球望遠鏡成像中表現為極其細微的形狀剪切，這一效應被稱為“弱引力透鏡”，是反推宇宙物質分布、檢驗暗物質團塊程度與暗能量作用的關鍵工具。

在這項名為“DECADE”宇宙剪切計劃的工作中，科學家使用這些形狀和距離數據，對ΛCDM模型進行了擬合，關注的是宇宙結構隨時間增長的速率是否與模型預測一致。 研究結果顯示，利用該獨立數據集得到的宇宙“團塊度”參數與此前弱透鏡測量結果相符，同時與由宇宙微波背景輻射推算的早期宇宙參數也達成良好一致，未發現過去幾年飽受爭議的“晚期宇宙與早期宇宙存在明顯張力”的證據。

團隊還將DECADE的弱透鏡測量與DES原有數據結合，構建出迄今涵蓋星系數最多、天空區域最廣的星系透鏡分析樣本，總計約2.7億個星系，覆蓋約1.3萬平方度天空，約當全天三分之一。 得益于如此龐大的樣本，研究人員可以在分析中采取更加保守的質量控制策略，僅使用最可信、系統誤差最小的數據點，仍能獲得足以與宇宙微波背景結果正面比較的高精度約束。

這項工作被研究者形容為“一次非傳統的弱透鏡巡天”，原因在于其大量使用的是天文界此前為其他科學目標拍攝、散落在檔案中的歷史圖像，而非從一開始就為弱透鏡設計的長期專用觀測計劃。 在傳統方案中，大量不符合某些嚴格成像質量標準的照片會被舍棄，而DECADE團隊在嚴格檢驗系統誤差的前提下采用了更寬松的篩選條件，證明即便不是“為透鏡而生”的數據，只要經過精細標定和質量評估，同樣可以支撐穩健的宇宙學分析。

暗能量相機本身配備了62塊超高靈敏度CCD探測器，能夠以前所未有的深度拍攝宇宙深空，是當前弱透鏡與暗能量研究的核心設施之一。 在此次項目中，來自芝加哥大學、費米實驗室、伊利諾伊大學國家超級計算應用中心，以及阿貢國家實驗室、威斯康星大學麥迪遜分校等多家機構的科學家協同合作，在數據檢索、圖像質量人工審查、形狀測量方法與宇宙學統計分析等環節形成合力，使得這些“被重新發掘”的檔案觀測變成了全新宇宙學武器。

新發布的形狀星系目錄已面向科學界開放，快速引起宇宙學與天文學界關注，目前已被用于研究矮星系、繪制宇宙質量分布圖等多個課題。 研究人員表示，隨著未來維拉·魯賓天文臺“時間與空間遺產巡天”（Rubin LSST）等更大規模項目陸續展開，本次經驗表明，善用所有可用圖像而非僅限于“完美”樣本，有望顯著提升對暗物質和暗能量性質的測量精度，為理解這個“95%看不見的宇宙”提供更清晰的線索。

編譯自/ScitechDaily