天文学家使用新数据来创建非凡的暗物质地图

天文学家绘制了前所未有的宽而清晰的暗物质图

图1:弱透镜技术估算的二维暗物质图。暗物质密集地聚集在一起。我们可以识别出巨大的暗物质晕(用橙色圆圈表示)。图中显示的区域大约是30平方度(这次总共观察到160平方度)。来源:东京大学NAOJ

多个研究所的研究团队,包括日本和东京大学的国家天文天文台,基于斯巴鲁望远镜上的超级超级凸轮基于新获得的成像数据发布了前所未有的广泛敏锐的暗物质地图。通过弱引力透镜技术估算了暗物质分布(图1,电影)。该团队位于暗物质晕圈的位置和镜头信号,并发现迹象表明,晕圈数量可能与最简单的宇宙模型建议的暗示不一致。这可能是一个新的线索,了解为什么宇宙扩张正在加速。


利用弱透镜技术估算二维暗物质图。暗物质密集地聚集在一起。(来源:NAOJ)

宇宙加速之谜

20世纪30年代,埃德温·哈勃和他的同事发现了宇宙的膨胀。这对大多数相信宇宙永远不变的人来说是一个很大的惊喜。为了从数学上表达宇宙的膨胀,需要一个有关物质和时空几何的公式。巧合的是,爱因斯坦已经推导出了这样一个公式。现代宇宙学是以爱因斯坦的引力理论为基础的。

有人认为,随着时间的推移(图2中的蓝色和红线)减速,因为宇宙(物质)的内容彼此吸引。但在1990年末,有人发现,自大约8千年前以来,扩张一直在加速。这是另一个巨大的惊喜,它赢得了在2011年发现扩张诺贝尔奖的天文学家。为了解释加速,我们必须在宇宙中考虑排斥空间的新东西。

最简单的分辨率是将宇宙学常量放回爱因斯坦的等式中。宇宙常数最初是由爱因斯坦引入的,以实现静态宇宙,但在发现宇宙的扩张后被遗弃。标准宇宙模型(称为LCDM)包含宇宙常数。使用LCDM的扩展历史如图2所示的绿线所示。LCDM由许多观察结果支持,但是导致加速仍然存在的问题。这是现代宇宙学中最大的问题之一。

全新的、前所未有的宽而清晰的暗物质图

图2:宇宙膨胀的历史。蓝线显示的是宇宙学早期被认为可能存在的东西。后来,这个宇宙学模型不再受欢迎,因为它预测了更高的增长率和更多的结构,与观测到的星系分布不一致。因此,我们提出了一个更轻的宇宙模型,用红线表示。这个光模型还解决了所谓的“年龄问题”,即存在比蓝色轨道预测的宇宙年龄更老的球状星团。但蓝线和红线都与暴涨宇宙论相冲突。后来当宇宙的加速度被发现时,以绿色轨道为代表的LCDM是最可能的模型。由于加入了宇宙常数,LCDM变得与暴涨模型一致。信誉:naoj.

使用Hyper supreme - cam进行宽深成像测量

该团队正在领导一项大规模的成像调查,使用超级超级摄像机(HSC)来探索宇宙加速的奥秘。这里的关键是要非常仔细地检查宇宙的膨胀历史。

在早期宇宙中,物质的分布几乎是均匀的,但不是完全均匀的。密度有轻微的波动,现在可以通过宇宙微波背景的温度波动来观察。由于物质之间的相互引力,这些微小的物质波动随着宇宙时间的推移而演变,最终我们可以看到当今宇宙的大尺度结构。众所周知,这种结构的增长速度很大程度上取决于宇宙膨胀的方式。例如,如果膨胀率高,物质就很难收缩,生长率就会被抑制。这意味着可以通过观察增长率来反向探索膨胀历史。

值得注意的是,如果我们只观察可见物质(恒星和星系),就不能很好地探测增长率。这是因为我们现在知道近80%的物质是一种叫做暗物质的不可见物质。该团队采用了“弱引力透镜技术”。“遥远星系的图像被前景暗物质分布产生的引力场稍微扭曲了。”对系统畸变的分析使我们能够重建前景的暗物质分布。

这种技术在观测上要求很高,因为每个星系的扭曲通常是非常细微的。需要对微弱而明显的小星系进行精确的形状测量。这促使团队开发了Hyper supreme - cam。自2014年3月以来,他们一直在使用Hyper supreme - cam进行广域成像调查。在2018年2月撰写本文时,60%的调查已经完成。

天文学家绘制了新的暗物质图

图3.:通过弱引力透镜技术检测到具有高度显着的暗物质光环的位置的超级坎普拉莫图像。这种光环如此巨大,其中一些背景(蓝色)星系在光环中心周围切实拉伸。这称为强镜头。信誉:naoj.

前所未有的宽阔和锋利的暗物质地图

在此版本中,该团队基于2016年4月(图1)所采取的成像数据提出了暗物质地图。这仅占计划最终地图的11%,但它已经前所未有。从来没有这样的锋利的暗物质地图,覆盖了这么广泛的面积。

成像观测是通过五种不同的滤色器进行的。通过结合这些颜色数据,就有可能粗略估计到暗淡的背景星系的距离(称为光度红移)。同时,当透镜直接位于遥远星系和观测者之间时,透镜的透镜效率最为突出。利用光度红移信息,星系被归类到红移箱子中。利用这组星系样本,利用层析成像方法重建了暗物质的分布,从而得到了暗物质的三维分布。图4显示了一个这样的示例。用30平方度的数据重建了0.1 (~1.3 G光年)到1.0 (~8 G光年)之间的红移范围。在红移1.0时,角跨度相当于1.0 G x 0.25 G光年。这张3D暗物质质量图也是相当新的。这是第一次观测到随着时间的推移暗物质晕数量的增加。

暗物质三维分布图

图4.:利用弱透镜技术结合背景星系的红移估计,通过层析成像方法重建的暗物质三维分布的一个例子。所有的3D地图都可以在这里找到。图片来源:东京大学/NAOJ

暗物质晕计数说明了什么以及未来的前景

该团队计算了透镜信号超过一定阈值的暗物质晕的数量。这是衡量增长率的最简单方法之一。图5中的直方图(黑线)显示了观测到的透镜信号强度与观测到的光晕数量之间的关系,而模型预测则用实红线表示。该模型基于标准LCDM模型,使用宇宙微波背景观测作为波动的种子。这个数字表明暗物质晕的数量比LCDM的预期要少。这可能表明LCDM存在缺陷,我们可能不得不考虑一个替代方法,而不是简单的宇宙常数。

新的暗物质地图被揭示

图5.:暗物质晕的数量与透镜信号强度(黑色直方图)的对比,以及LCDM和最近由普朗克卫星观测到的CMB的数量。来源:东京大学NAOJ

然而,统计意义仍然有限,正如大误差柱状图(直方图上的垂线)所示。目前还没有确凿的证据来拒绝LCDM,但许多天文学家对测试LCDM很感兴趣,因为差异可以成为解开宇宙加速之谜的有用探测器。需要进一步的观察和分析来证实具有较高显著性的差异。为了验证标准LCDM的有效性,该团队还进行了一些其他的增长率探测,并正在进行分析(如星系形状的角相关)。

这些结果于2018年1月1日发表在《日本天文学会出版物》的HSC特刊上(Miyazaki et al. 2018,“Hyper supreme - cam Subaru Strategic Program S16A Wide field mass maps中的剪切选定星团大样本”,PASJ, 70, S27;小久里等人2018年“超级超级凸轮斯巴鲁战略计划S16A数据的两维和三维宽视场弱透镜质量地图”,PASJ, 70, S26)。项目由MEXT、JP15H05892、JP15H05887、JP15H05893、JP15K21733、JP26800093、JP15K17600、JP16H01089以及JST CREST JPMJCR1414资助。

出版物:Satoshi Miyazaki等,等,“来自超级Suprime-Cam Subaru战略计划S16A宽野群众地图的大型剪切群集,”日本天文学学会出版物,70卷,1月1日发行SP1,1月1日2018年,S27,doi: 10.1093 / pasj / psx120

2评论关于“天文学家利用新数据创建非凡的暗物质地图”

  1. 最近发表了两篇论文。第一个是关于星系旋转速度的测量,在我们看来,结束了暗物质存在的问题。第二种观点认为宇宙的膨胀并没有加速。然而,这个事实并没有回答宇宙膨胀的原因一般是什么,也没有解决普遍认为70%的宇宙是由暗能量组成的观点。

  2. 当科学讲话在大爆炸前微小的微秒发生了什么时,我会再次感兴趣。在我们调查谁将魔法爆炸颗粒扔进所有足够的虚无的虚构中,直到我们调查谁。
    签名:Joe Taxpayer。
    PS:“这一切都超出了不可逾越的事件视界”,3 Bucks在星巴克给你买了一杯咖啡。

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