迄今范围最广，细节度最高的暗物质分布图周一·最新发现 |周二·牧夫专栏周三

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一个由来自包括日本国立天文台、东京大学在内的多个机构的研究员组成的团队，使用通过昴星团望远镜获得的图像数据，发布了一张迄今范围最广，细节度最高的暗物质分布图。研究人员使用弱引力透镜的方法从图中找出那些暗物质光晕，并估测这些暗物质的分布。他们发现这些光晕的数量与最简单的宇宙模型所给出的结果不相符。或许这可以给理解为什么宇宙在加速膨胀提供一些信息。

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通过弱引力透镜的方法获得的二维暗物质分布图。暗物质集中在图中的深色区域，圆圈圈出的是高度集中的区域。上图天区面积大约为30平方度，本次观测一共覆盖了160平方度的天区。

Credit:NAOJ/University ofTokyo

上个世纪30年代，埃德温·哈勃和他的同事发现了宇宙的膨胀。对于认为宇宙大小永远不变的绝大多数人来说，这是一个大惊喜。然而想要用数学方式描述宇宙的膨胀，一个连接物质和时空几何结构的公式是必不可少的。巧的是，爱因斯坦已经发现了这样的公式。现代宇宙学都基于爱因斯坦的重力理论。人们曾经认为因为物质之间会互相吸引，宇宙膨胀处于减速状态(下图中的蓝色和红色线)。然而后来人们发现从大约八十亿年前开始，宇宙一直处于加速膨胀状态(该结果获得2011年诺贝尔物理学奖)。要解释这个加速状态，我们必须考虑一些在宇宙中互相排斥的物质。

最简单的解决方法就是将宇宙常数重新放回爱因斯坦的公式中。爱因斯坦最初引入了宇宙常数来得到一个静态的宇宙模型，后来膨胀被发现后就将其去掉了。但现在的标准宇宙模型中包含了宇宙常数。由标准宇宙模型描述的膨胀在下图中用绿线表示。迄今的众多观测结果都支持宇宙标准模型，但人们仍然无法解释是什么导致了膨胀的加速。这仍然是现代宇宙学中的一片乌云。

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宇宙的膨胀史。蓝色线是宇宙学发展早期人们所认为的宇宙膨胀状态，但后来发现该结果意味着更快的发展速度和更多的宇宙结构，与当今的观测不符。所以后来人们引入了红色线，一个更轻量级的宇宙模型。但它们都与暴胀宇宙学冲突。直到加速膨胀被发现后，绿色线表示的标准宇宙模型给出了最接近事实的结果，引入宇宙常数后，标准宇宙模型也与暴胀宇宙学相兼容。

Credit: NAOJ.

在早期宇宙中，物质基本上是均匀分布的;不过密度仍有一些轻微波动，现在的宇宙背景微波辐射中的温度波动就是其结果。这些轻微的物质波动因为相互吸引随着时间的推移而进化，并最终演变为今天的大尺度结构。宇宙中结构的发展速度与宇宙的膨胀有密切的关系。举例子说，如果膨胀速度很快，物质间的相互作用就相对困难，结构的发展速度就会受到抑制。这就意味着可以反向地从结构的发展速度来推测宇宙的膨胀史。

然而需要知道的是如果我们只观测可见物质(例如恒星和星系)，发展速度是不能被很好的推算的。因为我们现在知道接近80%的物质都是不可见的暗物质。为了找到不可见物质，该团队使用了弱引力透镜的方法--背景中遥远星系的光线会因为暗物质巨大的引力场而变形。系统地分析背景星系的形变可以使科学家反向的推算出前端暗物质的分布。

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Hyper Suprime相机拍摄到的一张图片。此图片中有一个非常强的暗物质光晕，周边的背景星系有些甚至沿着切向被拉伸了。这被称为强透镜。

Credit: NAOJ

这种方法对观测的要求是非常严格的，因为星系的形变量通常非常微小。因此对遥远的既小又暗淡的星系形状的准确测量是必须的。如此严苛的要求促使团队研发了Hyper Suprime相机。他们从2014年3月开始使用此相机进行宽场巡天，到2018年2月为止他们已经完成了任务的60%。

这次发布的分布图(图1)使用了了来自2016年4月拍摄的图片信息。尽管这只是最终计划的暗物质分布图的11%，但是范围之广已经超出了人们的预期。此前人们从未获得过一张覆盖天区范围如此之广，并且细节度能如此之高的暗物质分布图。

拍摄过程使用5种不同颜色的滤镜，通过合成这些不同颜色的图片，科学家可以粗略地估计背景中遥远星系地距离(该方法称为测光红移)。使用测光红移的信息，星系被分成了不同的组;通过这些分组后的信息，三维的暗物质分布可以通过分层成像技术获得。

下图便是对图1中30平方度的天区的三维成像。图中所展现的红移值范围在0.1至1.0之间(大约13亿光年至80亿光年之间)。在红移值为1.0的地方角跨度为10亿x2.5亿光年。这张三维成像图非常新，这是第一次暗物质光晕数量的增加可以通过观测获得。

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在估计背景星系红移值与弱引力透镜的基础上使用分层成像法得到的三维暗物质分布图。

团队数了图片中透镜信号超过一定阈值的暗物质光晕的数量。这是测量结构增长速度最简单的方法之一。下面的直方图中展示了实际观测到的透镜信号强度与暗物质光晕数量的关系，红色实线表示模型(基于标准宇宙模型与宇宙背景微波辐射)的预测值。从图片中可以看出实际的暗物质光晕的数量少于标准宇宙模型所预测的数量。这意味着现在的标准宇宙模型中存在着一定的问题，我们必须思考一个替代方法，而不是简单地使用宇宙常数。

然而该结果的统计学有效性仍然很有限，这可以从相当大的误差区间(直方图上的竖线)看出。目前还没有绝对的证据以推翻标准宇宙模型，但是很多天文学家都对测试标准宇宙模型很感兴趣，因为每次结果所展现出的矛盾都有可能为解释宇宙的加速膨胀提供信息。但就这项研究来说，科学家仍需要更多观测和分析来缩小误差以提高数据的有效性。除了这项研究之外，该团队还进行了其他此类研究意图测试标准宇宙模型的准确性。

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暗物质光晕数量与其透镜信号强度的关系图。黑色直方图为实际观测到的数据，红色曲线为标准宇宙模型给出的预测值。

Credit:University ofTokyo/NAOJ

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