超大三维星系图,精确测定暗能量

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宇宙中星系分布三维地图的一张切片,覆盖了天空的1/20,宽60亿光年,高45亿光年,厚5亿光年。图中的每一个小点,都代表着60亿年前一个星系的位置,不同的颜色代表它们在这张切片中是更靠近地球(黄色)还是更远离地球(紫色)。这张切片中包含48741个星系,只占天文学家绘制的最新宇宙星系分布图数据量的3%。从图中可以看到星系的成团分布,它们构成了超星系团,也留下了巨大的空洞。这些大尺度结构的根源都来自于宇宙大爆炸后最初的瞬间。图片来源:Daniel Eisenstein 及SDSS-III合作团队

来自斯隆数字巡天Ⅲ期(SDSS-III)的数百位科学家协手合作,绘制出了遥远星系有史以来最大的三维地图。接着,这些科学家又利用这幅地图,对目前正驱动宇宙加速膨胀的暗能量,进行了迄今最为精确的测量。

“我们花了10年时间,测量了遍布1/4天空的120万个星系的数据,绘制出了650个立方十亿光年内宇宙的物质结构。”领导这项研究的科学团队联席负责人、美国纽约大学的杰里米·廷克(Jeremy Tinker)说,“这幅地图让我们能够对暗能量在宇宙膨胀中所起的作用进行迄今最好的测量。”

这些新的测量结果由SDSS-III的重子振荡光谱巡天(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,简称BOSS)项目完成。由于受到暗物质施加的引力和暗能量产生的斥力之间持续拉锯的影响,BOSS发布的这幅地图让天文学家能够测量宇宙膨胀的速率,进而测定今天的宇宙中物质和暗能量所占的比例。描述这些结论的一系列论文,本周已经投稿给了《皇家天文学会月报》(the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。

BOSS用来测量宇宙膨胀速率的方法是,在星系的三维分布地图中,测定重子声学振荡(baryon acoustic oscillation,BAO)的尺寸。重子声学振荡的原始尺寸由早期宇宙中传播的压力波决定,在宇宙年龄只有40万年时,这些波被冻结在宇宙的物质分布模式之中。(相比之下,今天的宇宙年龄为138亿年)。最终的结果就是,星系和星系的间隔倾向于一个特定的距离,天文学家称之为声学尺度。

大爆炸后40万年时的声学尺度大小,在对宇宙微波背景辐射的观测中已经得到了精巧的测定,那些背景辐射正是压力波被冻结的同时释放出来的光。测量自那时以来宇宙中的星系分布,让天文学家能够测量暗物质和暗能量如何竞相掌控宇宙膨胀的速率。

德国马普学会地外物理研究所的阿列尔·桑切斯(Ariel Sanchez)领导的研究,在BOSS数据的基础上估算了暗物质和暗能量的确切数据。他解释说,“测量宇宙历史不同阶段的声学尺度,提供了一把直接可用的标尺,能够用来测量宇宙的膨胀速率。有了BOSS的这幅三维地图,我们能够在距今20亿年前到70亿年前的时间跨度之内,在星系的分布模式之中追寻重子声学振荡留下的微妙印记。”

英国圣安德鲁斯大学的丽塔·特里欧(Rita Tojeiro),是除廷克以外,BOSS星系成团研究组的另外一位联席负责人。她解释说,“如果把我们巡天观测的范围等比例缩小成一个边长1英里(约1.6千米)的立方体,那么单个星系可见的部分就只有大约1毫米宽。在分析这幅地图时我们面临的挑战,就相当于在这1立方英里的空间内,找出所有间隔100码(约91.4米)的星系对,并测量全部这些星系对之间的距离!”

左侧的长方形显示了1000平方度的天空中所含的大约12万个星系,接近巡天观测的星系总数的1/10。图中的第一个点都代表一个星系。对每个星系所作的光谱观测,将这张二维图片转换成了三维的星系分布图,从我们眼前一直延伸到70亿年之前。分布图中明亮的区域对应于宇宙中星系更多的区域,因此暗物质也较多。那些区域里的额外物质产生出额外的引力,使得这幅分布图可以用来检验爱因斯坦的引力理论。图片来源: Jeremy Tinker及SDSS-III合作团队

为了如此精确地测量这些巨大而又古老的压力波的尺度, BOSS必须要绘制出一幅规模空前到前所未有的星系分布地图,比此前的巡天绘制过的星系图大好几倍。在BOSS项目规划期间,先前的研究就已经测定,暗能量从大约50亿年前开始,便对宇宙膨胀产生了显著影响。于是,BOSS项目便设定了这样的目标,要把测量重子声学振荡特征的时间范围,从那一个时间点之前(距今70亿年前)延伸到今天附近(距今20亿年前)。

英国朴茨茅斯大学的弗洛里安·博伊特勒(Florian Beutler),是本周投稿的一系列研究论文中两篇论文的第一作者。他说,“如果暗能量在那段时间内一直在驱动着宇宙膨胀,我们的地图告诉我们,它随时间变化的速度非常缓慢,如果它有变化的话——在过去70亿年内,它最多只变化了20%。”

美国布鲁克海文国家实验室的何塞·巴斯克斯(Jose Vazquez),将BOSS的结果与其他巡天结合在一起,从中搜寻任何可能暗示存在未解物理现象的证据。他说,“我们的最终结论符合简洁的宇宙学图像,进一步加强了过去18年来逐渐建立起来的标准宇宙学模型。”

特里欧小结道,“大爆炸后40万年的宇宙微波背景辐射,以及70到120亿年之后星系的成团分布,重子声波都在其中留下了印迹,而我们在两者之间看到了一种戏剧性的关联。有能力把得到很好理论描述的一种物理效应,从宇宙复合时期一直观测到今天,这对宇宙学来说堪称一大福利。”

这幅地图还揭示出了独特的迹象,表明由于万有引力的作用,星系存在一种整体运动,朝着宇宙中物质更多的区域。至关重要的是,观测到的这种“下落”,用广义相对论的预言就能够很好地加以解释。这一结果支持了如下观点:宇宙的加速膨胀由最大宇宙尺度上的一种现象(比如暗能量)驱动,而非我们的引力理论出了纰漏。

廷克总结说,“BOSS标志着宇宙学的一个重要的里程碑,超大空间范围内精确的成团性测量,结合对原初宇宙微波背景的全面观测,已经建立起一个坚实的平台,可以用来搜寻标准宇宙学模型的扩展证据。我们期待未来10年内的大型光谱巡天,能够进一步扩展这一项目。”(编辑:Steed

编译来源

斯隆数字巡天官网,Astronomers map a record-breaking 1.2 million galaxies to study the properties of dark energy

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