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天文学家绘制最壮观暗物质地图:1亿星系光线下,暗物质像胶水把星系粘在一起

Emma Chou

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ESA.Hubble/NASA

天文学家利用来自1亿个星系的光绘制出了有史以来最大的显示宇宙中暗物质存在的地图。

来自伦敦大学学院和巴黎École Normale Supérieure的天文学家利用人工智能分析星系的形状和光线图像,创建了一幅宇宙中不可见物质的地图。

暗物质占宇宙中所有物质的80%,但不是直接可见的,而是通过与其他物体的相互作用发现的。

作为国际暗能量调查(DES)的一部分,研究人员寻找被暗物质扭曲的遥远星系传播到地球的光。该团队表示,一张显示暗物质扩散的精确地图有朝一日将有助于回答宇宙的组成和演化过程等问题。

来自巴黎École Normale Supérieure和伦敦大学学院的共同首席作者尼尔·杰弗里博士表示,目前已经绘制了大约四分之一的南半球天空,发现了覆盖70亿光年的暗物质。

由于看不见的物质扭曲了它周围的时空,天文学家可以通过研究来自遥远星系到达地球的光来描绘它的存在。研究小组解释说,如果光线被扭曲了,这意味着前景中有物质,使光线在向我们照射时发生弯曲。

追踪来自1亿个星系的光需要大量的数据,每个星系都是不超过10个像素的光点。因此,该团队将数据输入机器学习算法,使用人工智能来发现与光线中预期失真类似的模式。

然后,团队把发现暗物质的位置放在地图上,把它显示在观测星系的前景上。如果这种物质可以用肉眼看到,它的面积将相当于地球南半球天空的四分之一。

在DES网站上发布的一篇新论文中描述了这一现象,并将发表在《皇家天文学会月刊》上。

杰弗里说,宇宙中的大部分物质是暗物质。

他说:“能看到这些巨大的、隐藏在夜空中的建筑真是一个奇迹。”“这些结构是通过智利的暗能量相机拍摄的数以亿计遥远星系扭曲的形状来揭示的。”

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研究人员发现在暗物质中也有类似的模式,就像你在可见物质中看到的那样——一个网状结构,由巨大的空洞分隔出密集的团块。

他说,观察这些宇宙尺度的结构可以帮助我们回答关于宇宙的基本问题。

杰弗里表示:“它告诉我们宇宙的起源,它往哪里去,它从哪里来。你还可以研究宇宙中真实物质和暗物质之间的相互作用。”

“宇宙中存在着我们看不见的东西”这一观点在20世纪30年代首次提出,从那以后,天文学家就一直试图解释那些看不见的东西。

暗物质,就像暗能量一样,仍然是神秘的,但它的存在是从未被预测的星系行为中推断出来的。例如,星系聚集在一起,而星系团中的星系移动速度比预期的要快,这是探测这种神秘物质的一种方法。

合著者、伦敦大学学院教授奥弗·拉哈夫(Ofer Lahav)同时也是英国DES联盟的主席,他说可见星系形成于暗物质最密集的区域。

他解释说:“当我们看夜空时,我们看到的是星系的光,而不是周围的暗物质,就像看夜晚城市的灯光一样。”

“通过计算重力如何扭曲光,这是一种被称为引力透镜的技术,我们得到了整个画面——包括可见和不可见的物质。”

 “这让我们更加了解宇宙的组成和演化过程。这也显示了人工智能方法分析天文学中最大的数据集的力量。”

研究人员绘制的新地图将一个跨越70亿光年的3D空间投影到2D平面上,但未来的版本将创建一个3D的宇宙视图。

杰弗里认为,暗物质像是一种支架,或者说是胶水,将星系结合在一起。“这是宇宙网中最大的引力,环绕星系并将它们结合在一起”

普遍认为暗物质是一种我们还没有在地球上观测到的粒子,它有质量并与引力相互作用,但不会以我们在地球上或实验室中可以检测到的任何其他方式相互作用。

这幅地图告诉天文学家的一件事是地图中“空洞”的大小,杰弗里说这是“物质的缺失”。

“人们对空洞、空洞内物质的形状和分布很感兴趣,认为验证爱因斯坦相对论的一种方法就是寻找空洞,即宇宙中物质较少的区域。”

他告诉每日邮报网站说:“也许在这样的区域重力会有所不同,物理学原理也会有所不同。”

合著者、芝加哥大学的Chihway Chang博士说:“这些地图也将增强我们对暗物质和星系之间联系的理解。”

暗能量调查合作包括来自世界各地的研究人员测量宇宙的组成和增长,以更好地理解推动宇宙膨胀的暗物质和暗能量。

在过去的六年中,该团队已经对数亿个星系进行了分类,这要归功于安装在智利塞罗托洛洛美洲天文台的一台望远镜上的5.7亿像素的暗能量相机拍摄的天空照片。

宾夕法尼亚大学Marco Gatti博士也是绘制这幅新地图的论文的主要作者之一,他说DES图像提供了“迄今为止最精确的关于宇宙在过去70亿年间演化的观察”。

DES科学家对调查前三年的新分析表明,物质在宇宙中分布的方式与标准宇宙学模型的预测一致。

但与之前的调查一样,分析也发现了一些线索,即基于对大爆炸光的研究,宇宙可能比预测的要平滑几个百分点。

Pablo Lemos博士进行了分析,揭示了一个“更平滑的宇宙”,他说找到星系调查和大爆炸光(也被称为宇宙背景辐射)研究之间的矛盾将是令人兴奋的。

他表示,这两者之间的矛盾“将为新物理学提供线索”。“观察到的物质聚集的差异可能就是这样一个矛盾,但我们需要更多的数据来证实它。”

杰弗里表示,他们根据130亿年前宇宙的情况,从我们今天所知道的情况和这张地图来看,物质并不像纯粹基于背景辐射所预测的那样“块状”。

“这个暗示已经在早期的实验中被发现了,这也是暗能量调查的发现让宇宙学家感到兴奋的原因。”

目前通过分析宇宙背景辐射获得的证据表明,目前的宇宙由大约5%的普通可见物质、25%的暗物质和70%的暗能量组成。

DES主任兼发言人Rich Kron教授是费米实验室和芝加哥大学的科学家,提出他们的目标是通过研究暗物质和能量之间的竞争如何塑造宇宙来阐明它们的本质。

前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://www.darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/


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