在大爆炸之後不久，就出現了微小的漣漪：在沸騰的熱等離子體球體中產生的量子漲落。數十億年後，這些種子已經成長為星系團——由引力束縛在一起的數百或數千個星系組成的龐大群體。
但似乎存在不匹配。去年釋出的結果表明，與漣漪預測的星系團聚量相比，星系團質量有多達 40% 是缺失的。這些發現促使理論家們提出超越宇宙學標準模型的物理學，以彌補這種差異。但是，透過改進星系團質量的測量，可能會實現調和。
這種不匹配最初是由歐洲航天局的普朗克探測器探測到的，該探測器測量了宇宙微波背景輻射上印刻的漲落，並將其與它可以觀測到的星系團進行了比較。“我們很多人都對這種差異感到好奇，”普林斯頓大學的天體物理學家大衛·斯佩格爾說，他使用普朗克的先行者——美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器研究了宇宙微波背景。“我們的理解中缺少了一些東西。”
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的有影響力的故事的未來。
一些理論家一直在研究中微子的特性——幽靈般的、幾乎無質量的亞原子粒子——作為一種補償方式。例如，在 2 月 6 日，伊利諾伊州芝加哥大學的物理學家胡韋恩和他的同事發表了一項理論，認為如果已知的三個型別的中微子比想象的更重，或者如果存在第四種尚未發現的中微子，則可以彌合這種不匹配。額外的中微子質量將對原始漣漪的增長產生影響，使其趨於平緩，並導致今天觀測到的星系團數量減少。
現在，有兩項研究表明，星系團的實際質量高於普朗克的估計——因此幾乎不需要奇異物理學。一項研究正在準備中，另一項研究於 2 月 11 日釋出在 arXiv 預印本伺服器上。這兩項研究都使用了引力透鏡，這是一種透過測量星系團的引力場對穿過它們的光線產生多大程度的扭曲來稱量星系團質量的技術。“我們認為沒有問題，”加利福尼亞州斯坦福大學卡弗裡粒子天體物理學和宇宙學研究所的天體物理學家安雅·馮·德·林登說。
圖片來源：自然雜誌
馮·德·林登參與了一個名為“為巨人們稱重”的專案，該專案使用了位於夏威夷莫納克亞山的斯巴魯望遠鏡和加拿大-法國-夏威夷望遠鏡，研究了普朗克也測量過的 22 個星系團。該專案得出的平均星系團質量為 1015 個太陽質量，約為銀河系質量的 1000 倍——這個平均值比 普朗克的估計高出 43%。另一項名為“哈勃星系團透鏡和超新星巡天 (CLASH)”的研究，使用了哈勃太空望遠鏡測量了普朗克測量的 25 個星系團，得出的估計值比普朗克高出約 30%。
這些差異似乎歸因於普朗克估計的不確定性，普朗克的估計依賴於一種稱為 Sunyaev-Zel'dovich 效應的過程（參見“稱量星系團”）。普朗克探測宇宙微波背景輻射的光子。在它們到達衛星的途中，一些微波會穿過星系團。在那裡，它們會遇到與熱氣體雲相關的活躍電子。當光子與電子碰撞時，它們的能量會被提升到更高的水平。
該訊號的強度可以與星系團中所有星系的質量相關聯，因為較大的星系團會捕獲更多的熱氣體。但這並不是一個精確的關係。“這是最大的不確定性來源，”巴黎狄德羅大學的宇宙學家詹姆斯·巴特利特說，他是普朗克合作組織的一員。他說，普朗克將在今年晚些時候釋出更新的分析報告，其中將微調其質量校準，並可能提高星系團的質量。
許多天體物理學家認為，剩餘的差異將透過其他正在啟動的透鏡巡天調查的資料來解決。位於智利托洛洛山的 5000 萬美元的暗能量巡天專案，是一架光學巡天望遠鏡，於 2 月 9 日完成了最初三個月的觀測。它測量了數百個星系團，預計將在今年晚些時候釋出首批科學成果。下個月，一臺價值 5000 萬美元的日本儀器 Hyper Suprime-Cam 將被用於在斯巴魯望遠鏡上啟動一項大型透鏡巡天調查。
伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的天體物理學家布拉德福德·本森說，即使最終結果表明根本沒有星系團質量缺失，追蹤今天星系團從原始宇宙漣漪到現在的演變過程，以瞭解神秘的排斥力——暗能量的影響可能隨時間發生的變化，仍然非常重要。“強大的資料集將是故事的下一個篇章，”他說。