遙遠星系證實暗能量的存在和宇宙的平坦性

數百個星系對的朝向為標準宇宙學觀點提供了一個新的測試


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在 1990 年代後期,兩組天文學家 震驚了科學界,他們發現宇宙正在加速膨脹,某種程度上克服了本應使其減速的持續引力。推動宇宙加速器的罪魁禍首被稱為“暗能量”,對於一種仍然如此不為人所知的事物來說,這是一個恰如其分地神秘的名稱。

普林斯頓大學天體物理學家 邁克爾·施特勞斯 說:“我們對宇宙有一個非常簡單的圖景。” “當然,我們不理解這個圖景——我們不知道暗能量是什麼,也不知道暗物質是什麼。” 暗物質是一種存在時間更長的神秘實體,是一種看不見但很常見的物質,它只通過其引力來顯示自身。

但根據自首次檢測到暗能量的影響以來多年來進行的大量測量,暗能量——無論它是什麼——都存在。現在,法國普羅旺斯大學的一對研究人員透過一項獨立的測試證實了宇宙引數對遙遠星系對外觀的影響,從而為暗能量的存在增加了證據。這項研究發表在 11 月 25 日出版的《自然》雜誌上。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)

確定遙遠物體在太空中的位置需要做一些工作,因為宇宙缺乏清晰的距離標記。天文學家和宇宙學家可以透過測量恆星或星系的紅移來推斷其三維位置,紅移揭示的不是到物體的實際距離,而是其發出的光在膨脹的宇宙中因遠離我們而被拉伸的程度。然後,在對宇宙的曲率和內容進行一些假設之後,他們可以從紅移重建這些物體的位置。(空間可以具有正曲率,如球體的表面,或負曲率,如馬鞍的表面。只有在平坦的宇宙中,空間才遵守所有標準的幾何學規則——三角形的角度加起來正好是 180 度,平行線永不相交。)

幾十年前,研究人員意識到,如果他們能夠觀察到遙遠宇宙中物體的某種球形分佈,他們就可以利用該球體中任何明顯的扭曲來確定宇宙的幾何形狀和內容。畢竟,只有使用將紅移轉換為位置的正確引數,重建的分佈才會是球形的。這項測試是由 查爾斯·阿爾科克Charles Alcock)於 1979 年提出的,他現在在哈佛-史密森天體物理中心工作,以及已故的博丹·帕琴斯基,他在 2007 年去世之前一直是普林斯頓大學的教授。施特勞斯說,研究人員“指出,如果你正在觀察星系的分佈,並且你正在觀察錯誤的宇宙學,你最終會得到一個扭曲的混亂局面。” “本來應該是圓形的東西看起來會變形。”

普羅旺斯大學宇宙學家 克里斯蒂安·馬裡諾尼 和研究生阿德琳·布齊(Adeline Buzzi),該研究的作者,對 Alcock-Paczynski 測試採取了一種新方法,專注於數百個星系雙星的個體排列。從我們在太陽系內的有利位置觀察,這些引力束縛的星系對的朝向應該是完全隨機的。施特勞斯說:“這些星系不知道你在那裡觀察它們,所以這只是一個隨機變數。” 想象一下球體相對兩側的兩個點——滾動球體可以顯示一對星系對於任何特定觀察者可能採取的所有不同方向,從正面排列到垂直堆疊到任何傾斜角度。

但是宇宙的幾何形狀和膨脹會扭曲明顯的朝向;如果不針對宇宙的構成和形狀進行適當的校正,星系雙星的朝向看起來會變形。馬裡諾尼說:“明顯的朝向是有偏差的,因為我們不是用羅盤或標尺,而是用紅移來測量朝向。” “而紅移取決於宇宙的膨脹方式。”

透過調整宇宙的幾何形狀及其暗能量的性質,研究人員校正了影像,直到星系對確實像預期的那樣指向所有方向。透過這些調整,馬裡諾尼和布齊證實了當前宇宙學模型的兩個原則:宇宙是平坦空間,並且它由暗能量主導,暗能量約佔宇宙的三分之二,看起來很像 阿爾伯特·愛因斯坦著名的宇宙常數。(其餘部分主要來自暗物質,普通物質——原子和分子——僅佔宇宙總組成的 4% 左右。)馬裡諾尼說:“你看到了這些星系對的扭曲影像,但是當你輸入良好的宇宙平坦曲率和適量的暗能量時,你立即恢復了這些星系對的各向同性 [對稱] 排列。”

Alcock-Paczynski 測試的新轉折不僅僅是一個創造性的飛躍——馬裡諾尼和布齊還必須校正一些來自星系自身速度的討厭的紅移效應,這些效應獨立於宇宙的膨脹。馬裡諾尼將這個過程比作在一條擴張的街道上給一輛超速行駛的汽車計時;宇宙學家想知道的不是汽車自身移動的速度有多快,而是擴張的街道將其帶走的速度有多快。如果不校正星系自身的運動(稱為本動速度),雙星對往往會沿著觀察者的視線顯得更加細長。

因此,研究人員在來自 斯隆數字巡天 的檔案資料中測量了 721 個附近或低紅移星系雙星的朝向,並對其進行校準以考慮星系自身速度的貢獻。研究人員假設附近的星系對以與遙遠宇宙中的星系對相同的方式移動,他們將校準應用於來自 DEEP2 紅移巡天 的 509 個遙遠或高紅移星系雙星,以分離出遙遠星系對的真實朝向。

但是,這個假設為暗能量的新案例留下了一點漏洞。如果遙遠星系的本動速度與附近星系的本動速度不同,那麼研究人員的結果就會出現偏差。儘管如此,這項測試是對暗能量這一奇特現象的新審視,其發現與來自不同角度的大量證據非常吻合。施特勞斯說:“到目前為止,情況一直相當樂觀,因為所有已完成的測試似乎都吻合在一起。” “但是你擁有的測試越多,你就越好。”

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