迄今範圍最廣，細節度最高的暗物質分布圖

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一個由來自包括日本國立天文台、東京大學在內的多個機構的研究員組成的團隊，使用通過昴星團望遠鏡獲得的圖像數據，發布了一張迄今範圍最廣，細節度最高的暗物質分布圖。研究人員使用弱引力透鏡的方法從圖中找出那些暗物質光暈，並估測這些暗物質的分布。他們發現這些光暈的數量與最簡單的宇宙模型所給出的結果不相符。或許這可以給理解為什麼宇宙在加速膨脹提供一些信息。

神秘的加速膨脹

通過弱引力透鏡的方法獲得的二維暗物質分布圖。暗物質集中在圖中的深色區域，圓圈圈出的是高度集中的區域。上圖天區面積大約為30平方度，本次觀測一共覆蓋了160平方度的天區。

Credit: NAOJ/University of Tokyo

上個世紀30年代，埃德溫·哈勃和他的同事發現了宇宙的膨脹。對於認為宇宙大小永遠不變的絕大多數人來說，這是一個大驚喜。然而想要用數學方式描述宇宙的膨脹，一個連接物質和時空幾何結構的公式是必不可少的。巧的是，愛因斯坦已經發現了這樣的公式。現代宇宙學都基於愛因斯坦的重力理論。人們曾經認為因為物質之間會互相吸引，宇宙膨脹處於減速狀態（下圖中的藍色和紅色線）。然而後來人們發現從大約八十億年前開始，宇宙一直處於加速膨脹狀態（該結果獲得2011年諾貝爾物理學獎）。要解釋這個加速狀態，我們必須考慮一些在宇宙中互相排斥的物質。

最簡單的解決方法就是將宇宙常數重新放回愛因斯坦的公式中。愛因斯坦最初引入了宇宙常數來得到一個靜態的宇宙模型，後來膨脹被發現後就將其去掉了。但現在的標準宇宙模型中包含了宇宙常數。由標準宇宙模型描述的膨脹在下圖中用綠線表示。迄今的眾多觀測結果都支持宇宙標準模型，但人們仍然無法解釋是什麼導致了膨脹的加速。這仍然是現代宇宙學中的一片烏雲。

宇宙的膨脹史。藍色線是宇宙學發展早期人們所認為的宇宙膨脹狀態，但後來發現該結果意味著更快的發展速度和更多的宇宙結構，與當今的觀測不符。所以後來人們引入了紅色線，一個更輕量級的宇宙模型。但它們都與暴脹宇宙學衝突。直到加速膨脹被發現後，綠色線表示的標準宇宙模型給出了最接近事實的結果，引入宇宙常數後，標準宇宙模型也與暴脹宇宙學相兼容。

Credit: NAOJ.

使用Hyper Suprime相機進行廣域深度巡天

在早期宇宙中，物質基本上是均勻分布的；不過密度仍有一些輕微波動，現在的宇宙背景微波輻射中的溫度波動就是其結果。這些輕微的物質波動因為相互吸引隨著時間的推移而進化，並最終演變為今天的大尺度結構。宇宙中結構的發展速度與宇宙的膨脹有密切的關係。舉例子說，如果膨脹速度很快，物質間的相互作用就相對困難，結構的發展速度就會受到抑制。這就意味著可以反向地從結構的發展速度來推測宇宙的膨脹史。

然而需要知道的是如果我們只觀測可見物質（例如恆星和星系），發展速度是不能被很好的推算的。因為我們現在知道接近80%的物質都是不可見的暗物質。為了找到不可見物質，該團隊使用了弱引力透鏡的方法——背景中遙遠星系的光線會因為暗物質巨大的引力場而變形。系統地分析背景星系的形變可以使科學家反向的推算出前端暗物質的分布。

Hyper Suprime相機拍攝到的一張圖片。此圖片中有一個非常強的暗物質光暈，周邊的背景星系有些甚至沿著切向被拉伸了。這被稱為強透鏡。

Credit: NAOJ

這種方法對觀測的要求是非常嚴格的，因為星系的形變數通常非常微小。因此對遙遠的既小又暗淡的星系形狀的準確測量是必須的。如此嚴苛的要求促使團隊研發了Hyper Suprime相機。他們從2014年3月開始使用此相機進行寬場巡天，到2018年2月為止他們已經完成了任務的60%。

迄今範圍最廣，細節度最高的暗物質分布圖

這次發布的分布圖（圖1）使用了了來自2016年4月拍攝的圖片信息。儘管這只是最終計劃的暗物質分布圖的11％，但是範圍之廣已經超出了人們的預期。此前人們從未獲得過一張覆蓋天區範圍如此之廣，並且細節度能如此之高的暗物質分布圖。

拍攝過程使用5種不同顏色的濾鏡，通過合成這些不同顏色的圖片，科學家可以粗略地估計背景中遙遠星系地距離（該方法稱為測光紅移）。使用測光紅移的信息，星系被分成了不同的組；通過這些分組後的信息，三維的暗物質分布可以通過分層成像技術獲得。

下圖便是對圖1中30平方度的天區的三維成像。圖中所展現的紅移值範圍在0.1至1.0之間（大約13億光年至80億光年之間）。在紅移值為1.0的地方角跨度為10億x2.5億光年。這張三維成像圖非常新，這是第一次暗物質光暈數量的增加可以通過觀測獲得。

在估計背景星系紅移值與弱引力透鏡的基礎上使用分層成像法得到的三維暗物質分布圖。

Credit: University of Tokyo/MAOJ

暗物質光暈的數量意味著什麼

團隊數了圖片中透鏡信號超過一定閾值的暗物質光暈的數量。這是測量結構增長速度最簡單的方法之一。下面的直方圖中展示了實際觀測到的透鏡信號強度與暗物質光暈數量的關係，紅色實線表示模型（基於標準宇宙模型與宇宙背景微波輻射）的預測值。從圖片中可以看出實際的暗物質光暈的數量少於標準宇宙模型所預測的數量。這意味著現在的標準宇宙模型中存在著一定的問題，我們必須思考一個替代方法，而不是簡單地使用宇宙常數。

然而該結果的統計學有效性仍然很有限，這可以從相當大的誤差區間（直方圖上的豎線）看出。目前還沒有絕對的證據以推翻標準宇宙模型，但是很多天文學家都對測試標準宇宙模型很感興趣，因為每次結果所展現出的矛盾都有可能為解釋宇宙的加速膨脹提供信息。但就這項研究來說，科學家仍需要更多觀測和分析來縮小誤差以提高數據的有效性。除了這項研究之外，該團隊還進行了其他此類研究意圖測試標準宇宙模型的準確性。