科学家利用宇宙微波背景辐射创造了精确的暗物质分布图

2023-04-24 12:26
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原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

斯蒂芬五重奏的视图,这是詹姆斯韦伯望远镜的五个星系的视觉分组。图片来源:NASA/ESA/CSA/STScI

在1960年代,天文学家开始注意到在各个方向都可以看到普遍的微波背景。此后被称为宇宙微波背景(CMB),这种遗物辐射的存在证实了大爆炸理论,该理论假设所有物质都凝结在一个密度无限大、热量极高的点上,大约在138亿年前开始膨胀。

通过测量CMB的红移并将其与局部距离测量(使用变星和超新星)进行比较,天文学家试图测量宇宙膨胀的速度。

大约在同一时间,科学家们观察到星系的旋转曲线远高于其可见质量。这意味着要么爱因斯坦的广义相对论是错误的,要么宇宙充满了一个神秘的、看不见的质量。

在一系列新的论文中,阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)合作的成员使用CMB的背景光创建了一张新的暗物质分布图,覆盖了四分之一的天空并延伸到宇宙深处。这张地图证实了广义相对论及其对质量如何改变时空曲率的预测。

ACT是一个国际联盟,由来自美国,英国,加拿大,法国,德国,意大利,智利,瑞士,日本,南非和美国宇航局戈达德太空飞行中心的160多名科学家组成。

他们的目标是通过监测“宇宙黎明”(当时宇宙只有38万年的历史)期间出现的光来改进描述早期宇宙的参数测量,今天作为CMB可见。通过将其与局部宇宙的测量进行比较,天文学家和宇宙学家希望更多地了解它是如何演变的。

根据主要的宇宙学模型 - Lambda冷暗物质(LCDM)模型 - 暗物质占宇宙质量的85%。不幸的是,它不会通过电弱或强核力与正常(“发光”)物质相互作用,只有重力(最弱的基本力)。为了追踪这种虚幻和“看不见”的质量,ACT合作使用了阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT),这是一架定制的六米(~20英尺)毫米波望远镜,位于智利北部的Llano de Chajnantor天文台。

大爆炸(左),波浪线说明了扭曲;ACT接收到的扭曲光(右);新的暗物质地图(左下)。资料来源:露西·雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会/ACT合作

正如他们在计划发表在《天体物理学杂志》上的三篇新论文中所描述的那样,该团队依赖于ACT数据发布6(DR6)的数据,其中包括五个季节的CMB温度和偏振观测。这些光读数基本上用于背光从今天到大爆炸(约138亿年前)之间的所有物质。普林斯顿大学亨利·德沃尔夫·史密斯(Henry DeWolf Smyth)物理学教授、ACT主任苏珊娜·斯塔格斯(Suzanne Staggs)说:

“这有点像剪影,但轮廓中不仅仅是黑色,而是纹理和暗物质块,就好像光线穿过布帘,里面有很多结和凸起。著名的蓝色和黄色CMB图像是大约130亿年前宇宙在一个时代的样子的快照,现在这为我们提供了此后所有时代的信息。

这里提到的图像是基于威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)在2001年至2003年间收集的数据的著名全天空图像。这项任务(一直运行到2010年)建立在宇宙背景探测器(COBE)先前的工作基础上,该探测器从1989年到1993年收集了CMB的数据。

然后是欧空局的普朗克卫星,该卫星从2009年到2013年测量了CMB,以绘制微小的温度波动。由此产生的越来越精确的地图通过显示宇宙的初始条件,提供了对宇宙演化的洞察。

这张最新的地图使这项研究更进一步,用它来测量物质的结构是如何演变的,其中85%是暗物质。为了可视化这种神秘质量的存在和分布,研究小组研究了它的引力如何影响CMB和地球之间的时空曲率。这有效地展示了大量的质量(可见和不可见)如何改变它的光在行进数十亿光年(和数十亿年)到达我们时所遵循的路径。

由九年的WMAP观测得出的CMB温度波动的全天空图像。这些是宇宙不到40万年时星系的种子。图片来源:NASA/WMAP

该团队追踪了大质量暗物质结构的引力如何在140亿年的旅程中扭曲CMB,就像古董,块状窗户弯曲并扭曲我们可以通过它们看到的东西一样。由此产生的地图揭示了暗物质的“支架”,它容纳可见物质并环绕和连接星系和星系团。

这导致了宇宙的大尺度结构(通常被称为“宇宙网”),在图像中可以清楚地看到。该地图还打破了惯例,测量了我们宇宙中物质的分布,不是用光,而是用质量。

共同作者Blake Sherwin说,他是普林斯顿大学2013年的博士校友,也是剑桥大学宇宙学教授(他领导ACT研究小组):

“我们已经绘制了天空中看不见的暗物质分布图,正如我们的理论预测的那样。这是一个惊人的证据,证明我们了解宇宙结构如何在数十亿年的时间里形成的故事,从大爆炸之后到今天。值得注意的是,宇宙中80%的质量是看不见的。通过将天空中的暗物质分布映射到最远的距离,我们的ACT透镜测量使我们能够清楚地看到这个看不见的世界。

“我们利用大爆炸留下的光线扭曲制作了一张新的质量图,”普林斯顿大学助理教授Mathew Madhavacheril说,他是2016-2018年普林斯顿大学博士后,也是其中一篇论文的主要作者。“值得注意的是,它提供的测量表明,宇宙的'块状',以及经过140亿年的进化后它的增长速度,正是你对基于爱因斯坦引力理论的标准宇宙学模型所期望的。

一个简单的棋盘图案,代表CMB(左)通过中间质量(紫色)扭曲以在右侧创建扭曲的图像(由ACT接收)。资料来源:露西·雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会

宾夕法尼亚大学里斯花天文学教授兼ACT副主任马克·德夫林(Mark Devlin)是2000年代初看到这项实验潜力的少数研究人员之一。 “当我们在2003年提出这个实验时,我们不知道可以从我们的望远镜中提取的全部信息,“他说。我们把这归功于理论家的聪明,许多人建造了新仪器,使我们的望远镜更加灵敏,以及我们的团队提出的新分析技术。

他们的结果还可以为所谓的“宇宙学危机”提供新的见解,其中使用CMB与本地恒星的光测量产生不同的值。这种差异也被称为“哈勃张力”,表明暗物质不够“块状”,宇宙学的标准模型(LCDM)可能是不正确的。然而,ACT团队的最新结果精确地评估了这些肿块的大小和分布,并确定它们与LCDM模型完全一致。斯塔格斯的团队在过去五年中建造了收集数据的探测器,他认为他们的新地图可以将这场“危机”转化为机遇:

“CMB已经以其对宇宙原始状态的无与伦比的测量而闻名,因此这些描述其后续演变的透镜图几乎是财富的尴尬。我们现在有了第二张非常原始的宇宙地图。我认为我们有一个非凡的机会来一起使用这些不同的数据集,而不是“危机”。我们的地图包括所有的暗物质,可以追溯到大爆炸,其他地图正在回顾大约90亿年,给了我们一个离我们更近的图层。我们可以比较两者以了解宇宙中结构的生长。我认为结果会非常有趣。这两种方法得到不同的测量结果令人着迷。

虽然ACT于2022年9月退役(在运行15年后),但它收集的数据仍然激发了新的研究和突破。预计很快就会有更多论文介绍DR6中最后一组观测的结果,西蒙斯天文台将在同一视线进行未来的观测。这些将使用计划于2024年开始运行的新望远镜完成,该望远镜能够绘制天空的速度几乎是ACT的十倍。也许我们可以期待全天空调查,绘制暗物质的分布图,可以追溯到宇宙的开始。

这三篇论文发表在arXiv预印本服务器上。

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原标题:《『科学家们利用宇宙微波背景辐射创造了精确的暗物质分布图》

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