科学家绘制“隐形宇宙”巨幅地图 寻找暗能量新线索

在人类可见的宇宙图景之外，约95%的组成来自看不见的暗物质和暗能量，它们既不发光也难以直接探测，却通过引力和宇宙膨胀悄然左右星系与大尺度结构的演化。 近期，由芝加哥大学等多家机构组成的国际团队利用暗能量相机（DECam），对上亿个星系形状的微弱畸变进行统计分析，绘制出一幅覆盖约三分之一全天的“隐形宇宙”新地图，为检验当前主流宇宙学模型带来关键证据。

这项研究基于2013年至2019年间的暗能量巡天（DES）观测成果，后者安装在智利塞罗·托洛洛美洲际天文台4米布兰科望远镜上的暗能量相机，曾精确测量了超过1.5亿个星系的形状，覆盖约5000平方度天空，相当于全天八分之一。 此前，这些数据已经在检验“Λ冷暗物质”（ΛCDM）这一标准宇宙学模型时发挥核心作用，而最新成果则进一步把相机拍摄但原本不在DES正式巡天区域内的大量图像纳入分析，几乎将可用于弱引力透镜研究的星系数量翻了一番。

研究团队在新一轮分析中共测量了逾1亿个星系的形状，并通过光谱向红偏移量估算它们与地球的距离，从而同时掌握星系在天空中的投影分布与三维深度信息。 这些星系的光在穿越宇宙时会被沿途物质引力轻微“拉扯”，在地球望远镜成像中表现为极其细微的形状剪切，这一效应被称为“弱引力透镜”，是反推宇宙物质分布、检验暗物质团块程度与暗能量作用的关键工具。

在这项名为“DECADE”宇宙剪切计划的工作中，科学家使用这些形状和距离数据，对ΛCDM模型进行了拟合，关注的是宇宙结构随时间增长的速率是否与模型预测一致。 研究结果显示，利用该独立数据集得到的宇宙“团块度”参数与此前弱透镜测量结果相符，同时与由宇宙微波背景辐射推算的早期宇宙参数也达成良好一致，未发现过去几年饱受争议的“晚期宇宙与早期宇宙存在明显张力”的证据。

团队还将DECADE的弱透镜测量与DES原有数据结合，构建出迄今涵盖星系数最多、天空区域最广的星系透镜分析样本，总计约2.7亿个星系，覆盖约1.3万平方度天空，约当全天三分之一。 得益于如此庞大的样本，研究人员可以在分析中采取更加保守的质量控制策略，仅使用最可信、系统误差最小的数据点，仍能获得足以与宇宙微波背景结果正面比较的高精度约束。

这项工作被研究者形容为“一次非传统的弱透镜巡天”，原因在于其大量使用的是天文界此前为其他科学目标拍摄、散落在档案中的历史图像，而非从一开始就为弱透镜设计的长期专用观测计划。 在传统方案中，大量不符合某些严格成像质量标准的照片会被舍弃，而DECADE团队在严格检验系统误差的前提下采用了更宽松的筛选条件，证明即便不是“为透镜而生”的数据，只要经过精细标定和质量评估，同样可以支撑稳健的宇宙学分析。

暗能量相机本身配备了62块超高灵敏度CCD探测器，能够以前所未有的深度拍摄宇宙深空，是当前弱透镜与暗能量研究的核心设施之一。 在此次项目中，来自芝加哥大学、费米实验室、伊利诺伊大学国家超级计算应用中心，以及阿贡国家实验室、威斯康星大学麦迪逊分校等多家机构的科学家协同合作，在数据检索、图像质量人工审查、形状测量方法与宇宙学统计分析等环节形成合力，使得这些“被重新发掘”的档案观测变成了全新宇宙学武器。

新发布的形状星系目录已面向科学界开放，快速引起宇宙学与天文学界关注，目前已被用于研究矮星系、绘制宇宙质量分布图等多个课题。 研究人员表示，随着未来维拉·鲁宾天文台“时间与空间遗产巡天”（Rubin LSST）等更大规模项目陆续展开，本次经验表明，善用所有可用图像而非仅限于“完美”样本，有望显著提升对暗物质和暗能量性质的测量精度，为理解这个“95%看不见的宇宙”提供更清晰的线索。

编译自/ScitechDaily