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(zhì)和暗能量，它們既不發(fā)光也難以直接探測(cè)，卻通過引力和宇宙膨脹悄然左右星系與大尺度結(jié)構(gòu)的演化。 近期，由芝加哥大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)組成的國際團(tuán)隊(duì)利用暗能量相機(jī)（DECam），對(duì)上億個(gè)星系形狀的微弱畸變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(yàn)當(dāng)前主流宇宙學(xué)模型帶來關(guān)鍵證據(jù)。

這項(xiàng)研究基于2013年至2019年間的暗能量巡天（DES）觀測(cè)成果，后者安裝在智利塞羅·托洛洛美洲際天文臺(tái)4米布蘭科望遠(yuǎn)鏡上的暗能量相機(jī)，曾精確測(cè)量了超過1.5億個(gè)星系的形狀，覆蓋約5000平方度天空，相當(dāng)于全天八分之一。 此前，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)在檢驗(yàn)“Λ冷暗物質(zhì)”（ΛCDM）這一標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型時(shí)發(fā)揮核心作用，而最新成果則進(jìn)一步把相機(jī)拍攝但原本不在DES正式巡天區(qū)域內(nèi)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(shù)量翻了一番。

研究團(tuán)隊(duì)在新一輪分析中共測(cè)量了逾1億個(gè)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(shí)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(shí)會(huì)被沿途物質(zhì)引力輕微“拉扯”，在地球望遠(yuǎn)鏡成像中表現(xiàn)為極其細(xì)微的形狀剪切，這一效應(yīng)被稱為“弱引力透鏡”，是反推宇宙物質(zhì)分布、檢驗(yàn)暗物質(zhì)團(tuán)塊程度與暗能量作用的關(guān)鍵工具。

在這項(xiàng)名為“DECADE”宇宙剪切計(jì)劃的工作中，科學(xué)家使用這些形狀和距離數(shù)據(jù)，對(duì)ΛCDM模型進(jìn)行了擬合，關(guān)注的是宇宙結(jié)構(gòu)隨時(shí)間增長(zhǎng)的速率是否與模型預(yù)測(cè)一致。 研究結(jié)果顯示，利用該獨(dú)立數(shù)據(jù)集得到的宇宙“團(tuán)塊度”參數(shù)與此前弱透鏡測(cè)量結(jié)果相符，同時(shí)與由宇宙微波背景輻射推算的早期宇宙參數(shù)也達(dá)成良好一致，未發(fā)現(xiàn)過去幾年飽受爭(zhēng)議的“晚期宇宙與早期宇宙存在明顯張力”的證據(jù)。

團(tuán)隊(duì)還將DECADE的弱透鏡測(cè)量與DES原有數(shù)據(jù)結(jié)合，構(gòu)建出迄今涵蓋星系數(shù)最多、天空區(qū)域最廣的星系透鏡分析樣本，總計(jì)約2.7億個(gè)星系，覆蓋約1.3萬平方度天空，約當(dāng)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(zhì)量控制策略，僅使用最可信、系統(tǒng)誤差最小的數(shù)據(jù)點(diǎn)，仍能獲得足以與宇宙微波背景結(jié)果正面比較的高精度約束。

這項(xiàng)工作被研究者形容為“一次非傳統(tǒng)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(xué)目標(biāo)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(shè)計(jì)的長(zhǎng)期專用觀測(cè)計(jì)劃。 在傳統(tǒng)方案中，大量不符合某些嚴(yán)格成像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的照片會(huì)被舍棄，而DECADE團(tuán)隊(duì)在嚴(yán)格檢驗(yàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)，只要經(jīng)過精細(xì)標(biāo)定和質(zhì)量評(píng)估，同樣可以支撐穩(wěn)健的宇宙學(xué)分析。

暗能量相機(jī)本身配備了62塊超高靈敏度CCD探測(cè)器，能夠以前所未有的深度拍攝宇宙深空，是當(dāng)前弱透鏡與暗能量研究的核心設(shè)施之一。 在此次項(xiàng)目中，來自芝加哥大學(xué)、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)國家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心，以及阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校等多家機(jī)構(gòu)的科學(xué)家協(xié)同合作，在數(shù)據(jù)檢索、圖像質(zhì)量人工審查、形狀測(cè)量方法與宇宙學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等環(huán)節(jié)形成合力，使得這些“被重新發(fā)掘”的檔案觀測(cè)變成了全新宇宙學(xué)武器。

新發(fā)布的形狀星系目錄已面向科學(xué)界開放，快速引起宇宙學(xué)與天文學(xué)界關(guān)注，目前已被用于研究矮星系、繪制宇宙質(zhì)量分布圖等多個(gè)課題。 研究人員表示，隨著未來維拉·魯賓天文臺(tái)“時(shí)間與空間遺產(chǎn)巡天”（Rubin LSST）等更大規(guī)模項(xiàng)目陸續(xù)展開，本次經(jīng)驗(yàn)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(duì)暗物質(zhì)和暗能量性質(zhì)的測(cè)量精度，為理解這個(gè)“95%看不見的宇宙”提供更清晰的線索。

編譯自/ScitechDaily