最大的宇宙3D地图揭示了暗能量的变化

解码异世界 2024-04-05 21:27:38

科学家创建这张精确的星系图是为了研究宇宙的演化,特别是宇宙在假设的暗能量影响下的膨胀。而且,根据极其初步的结果,暗能量正在减弱。

DESI(暗能量光谱仪)是当今最强大的光谱仪,能够同时收集多个物体的数据。五千个小型“机器人”将“眼睛”瞄准预先选定的星系。因此,在短短 20 分钟内,该仪器就成功分析了 5000 个星系的新部分。 DESI 可以在一夜之间测量 100,000 个星系的光谱。其观赏面积有三分之一的天空。

该望远镜于 2021 年开始运行,在运行的五年中,该巡天观测将收集 3700 万个星系和 300 万个类星体的数据。在arXiv门户网站上发布的 10 多篇文章中,科学家们展示了第一年观察的数据分析结果。

DESI项目的一个重要特点是其对数据的完全“盲目”分析。在开发分析代码时,科学家使用修改后的观测数据。只有这样,完成的代码才能应用于“干净”的数据。这种方法有助于避免无意的偏见。

新地图上最遥远天体发出的光需要 8 到 110 亿年才能到达地球。他们的光谱采集精度达到了创纪录的 0.82%。平均数据准确度为0.5%。事实证明,DESI 在测量宇宙膨胀率方面的准确度是其前身(作为斯隆调查的一部分进行的BOSS 调查)的两倍。

宇宙的膨胀是宇宙学的一个痛点。就在几十年前,大多数科学家认为,随着时间的推移,引力相互作用的力量应该会减缓宇宙的膨胀。但在 1998 年,物理学家发现,根据红移,最遥远的超新星的亮度比应有的暗淡。如果膨胀减慢,遥远的超新星将会更亮。这就是关于暗能量的假设的产生,暗能量抵抗重力并能够加速宇宙的膨胀,尽管暗物质“帮助”了重力。

因此,为了了解暗能量,科学家们想要了解宇宙是如何膨胀的。这可以通过重子声振荡(BAO)——整个宇宙中物质分布的“涟漪”来完成。这些波动是宇宙还是等离子体海洋时留下的遗产。最轻微的相互作用会在其中产生“涟漪”,就像扔进水中的鹅卵石一样,只在三维空间中产生——有点像气泡。

宇宙冷却并膨胀,BAO 的冻结“气泡”也随之膨胀——不再以等离子体密度变化的形式,而是以物质(即星系)在整个宇宙中分布的形式。通过收集星系数据,DESI 使科学家能够测量宇宙不同时代的 BAO。

根据 DESI 数据绘制的宇宙不同时期的 BAO“气泡”图。直线表示标准宇宙学模型预测的气泡大小。如果我们假设暗能量正在发生变化,则虚线显示“气泡”的大小。在较低的尺度上,从左到右,过去数十亿年被标记为从零(地球)到 110 亿年(早期宇宙)/ © Arnaud de Mattia/DESI Collaboration

到目前为止,科学家已将DESI数据分为七个时代。他们在离我们“很近”的地方分析了普通星系的分布。它们离得越远,发出的光就越暗,因此研究人员利用类星体来分析早期宇宙中的 BAO。

在我们和遥远类星体之间的路径上,有许多我们看不到的物质堆积,但它们吸收了飞过它们的类星体的光。不是全部,而是与氢相对应的光谱的特定片段。远处物体光谱中的这些特征吸收特征被称为“莱曼阿尔法森林”。因此,科学家们利用 45 万个类星体的光谱绘制了早期宇宙中的 BAO 地图(在 DESI 调查结束时,他们已经拥有了 300 万个类星体)。

总体而言,第一年的观测结果与标准ΛCDM宇宙学模型一致。但仅靠 DESI 数据并不能让我们准确测量暗能量的演化。为了提高准确性,科学家们从超新星研究中获取了数据,并用它们来检验另一个假设——暗能量是不稳定的。

事实证明,DESI 数据更符合暗能量随时间变化的假设。诚然,结果的标准差没有达到“黄金标准”。在科学中,发现的“黄金标准”被认为是大于 5 西格玛的偏差(它们等于 99.9999% 的概率)。

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