建立宇宙的3D地图,揭开黑暗能量的奥秘

智利黑暗能源相机采取的南部天空的数据正在帮助科学家增加他们对黑暗能量的理解以及为什么宇宙正在扩大得更快。

科学中最大的一个奥秘之一开始与垂死的明星开始。

这不是一个特殊的垂死的明星,就像一个人的想法一样。在20世纪80年代,在能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的扫罗恒梦师及其合作者意识到他们可以利用有关Supernovae的数据来研究宇宙的历史。Supernovae非常明亮地爆炸星星,在他们眨眼之前,他们的大部分肿块变成了太空。

幸运的是,IA型Supernovae的亮度非常一致。即使他们的实际亮度变化,它也以可预测的方式确实如此。通过比较这些超新星在望远镜中出现的测量,以及他们的实际亮度以及来自家庭星系的光线的测量,科学家可以从他们的年龄和距离我们的距离。使用那些,他们可以估计宇宙随着时间的推移而扩大的方式。

在十年的过程中,Perlmuter的团队收集了足够的数据,以寻找超新星亮度与地球距离之间的关系。他们希望看到非常遥远的超新星显得比在扩大宇宙中的增长越来越放缓的宇宙。

数据完全揭示了别的东西。

Supernovae都看起来比他们应该距离的裁缝。起初,科学家认为这只是一个奇怪的数据集。“当你看到一个惊人的新结果时,你的第一个想法不是'eureka!',它是”这是一个有趣的看图“,”Perlmuter说。他和他的团队花了超过六个月的时间检查图表的各个方面,寻找可能是错误的分析的一些方面。

这不是。

事实上,它表现相反:宇宙更快地扩展了。这意味着这是戏剧性的。为了与爱因斯坦的一般相对论合作的数据 - 天体物理学的基础 - 宇宙的70%的能量必须来自一些未知来​​源。

某种东西 - 从我们对宇宙的根本理解中缺少了很多东西。

由于为即将到来的会议准备的Perlmutter,他对他的塑料透明度幻灯片进行了一系列变化,以呈现新的结果。“你知道这是一个非常大,重要的结果,但这让你更加小心,”他说。“当你在公共场合说出来时,你一直在合作,这么长时间,它不想给你一个惊喜。”

但对于观众来说,他的1998年谈论了重大浪潮。不久之后,一支竞争团队呈现相同的结果。2011年,Perlmutter,Brian Schmidt和Adam Riess在发现的物理学中获得了诺贝尔奖。

因为我们不知道更快地向外推动宇宙,“黑暗能源”是科学家们的神秘过程的速记。为了了解我们宇宙的历史,DOE科学办公室支持的研究人员正在与世界各地的科学家合作,建立精心制作的空间和时间地图。

考虑到可能性

无论黑色能量是什么,这很奇怪。没有任何可能性适合科学家的理解物理学。

第一种可能性是它是“宇宙常数”。当Albert Einstein开发了描述一般相对性的方程时,他认为宇宙保持相同的大小。为了对宇宙中向内拉动的重力,他卡在变量,宇宙常数恒定,表明某些东西正在向外推动。当Edwin Hubble发现宇宙正在扩张时,爱因斯坦除去恒定。当他们发现有一个神秘的东西推动,科学家们回到了爱因斯坦的想法。遗憾的是,实验数据的数字比等式中宇宙学常数的预期小10120倍。

有两种可能性。第二种是,黑暗能量是一种未知的能量形式,随着时间的推移而变化。第三种可能性是普遍相对论并不能解释最大尺度上发生的情况。相反,这将是更普遍的理论的近似。这将把扳手扔进我们最成功的天体物理学柱之一。

不仅仅是宇宙的开端

弄清楚宇宙的结构如何随着时间的推移而改变,可以帮助科学家确定暗能量是否恒定。

科学家已经知道宇宙在早期看起来像10亿年前的看法。他们研究了宇宙微波背景,一套微弱的热量迹象从那段时间留下。从检查这个挥发辐射,科学家可以解决密度和辐射方式的模式。

这是弄清楚发生的10亿年前发生的事情,这是艰难的一部分。值得庆幸的是,科学家们在遥远远处的物体上有时间旅行。因为光需要时间到达地球,但极其强大的望远镜不看现代恒星。相反,科学家们看到那些星星如何看待数十亿多年前,这取决于他们有多远。在更远的遥远的星星上向后展示它们允许它们创建映射长度,宽度和距离的地图。

如何衡量宇宙

对于这种地图,科学家们需要基于星星和星系的特殊工具。

IA型Supernovae是第一个选择。使用这种方法需要科学家在更大的距离范围内具有更高的精度来进行新的超新星测量。“几乎所有的理论都适合数据,除了非常高的精度测量之外,除了非常非常高的精度测量之外,彼此不会区分,”PerlMutter说。

虽然Doe的科学办公室正在支持几个可以做出这些高精度测量的项目,但其他技术也是必要的。对于已知物理领域之外的东西,科学家希望多种方法比较结果。

下一个工具正在分析Baryon声学振荡(BAO)。像宇宙微波背景一样,宝是宇宙早期的残余。在大爆炸后不久,使一切都扩大的等离子体,产生密度和压力的波浪。大约37万年后,等离子冷却,“冷冻”压力波。冠状波在他们的开始和结束时留下了丛生。随着宇宙的增长,那些波浪模式延伸出来。

现在,模式印在所有物质的分布上。通过观察宇宙微波背景的模式(反映宇宙的开始)是如何与Bao的模式(反映中间和当前宇宙)的不同之处,科学家可以随着时间的推移映射物质分配的变化。“这是基于宇宙开头的基本物理,”LBNL研究员帕克Fagrelius说。

如果这不够介意,那么一种不同的技术,称为弱引力透镜措施如何巨大的物体扭曲星系形状。星系是如此之大,他们弯曲空间,以及他们背后的其他星系的光线。当地球上的望远镜拍摄背景星系的照片时,它们的形状与其真实形式相比延伸。通过在不同位置的背景星系形状的形状测量这种微小的失真,科学家可以淘汰前景的质量。这种技术还可以帮助他们映射物质分布,包括可见和暗物质。“这是衡量质量的最干净的方法之一,”玛丽亚·埃利达亚纳达席尔瓦·佩雷拉(Maria Elidaiana Da Silva Pereira)在黑暗能源调查中工作的研究员。

最后一个选项正在测量Galaxy集群的属性,或星系组。最大的集群揭示了早期宇宙是最密集的地方。“他们可以告诉我们宇宙中结构的增长和形成,”Doe Fermi国家加速器实验室的研究员Antonella Palmees说。

不是你的普通数码相机

科学家在采取数据时也有选择选择。

成像调查是带有巨型数码相机的望远镜。他们花了大量的天空照片,包括大量的星系和超新星。科学家分析了物体的亮度和颜色,这为他们提供了有关其距离和质量的信息。

由包括DOE科学办公室的国际集团支持的黑暗能量调查,提供了最全面的成像数据。这些图像来自520万像素相机;相比之下,点拍摄相机是16至20百万像素。在智利安装在望远镜上,黑暗能量相机拍摄了大约四分之一的南方天空的照片五年。当它在2019年1月完成采取数据时,它有超过3亿星系的照片,成千上万的星系集群,以及几千型IA型超新星。“在银河系和星系集群的数量方面,没有任何强大的暗能量调查,”Palmese说。

看着这么多的星系给科学家们一个前所未有的重力透镜看起来弱势。到目前为止,该团队最精确地测量了如何在宇宙中分发的内容。随着这些观察,他们运行了由暗能和暗物质组成的宇宙的模型,就像暗能量随着时间的推移一样(如果它是宇宙学常数,那么如果它不是(一些其他力)。如果模型的结果使用暗能量调查数据和宇宙微波背景的结果匹配,则会确认宇宙恒定的模型很好。换句话说,它会表明暗能量是宇宙常数。

结果很近 - 但不是相同的。虽然数据倾向于恒定,但足够强大,说是否在暗影微波背景结果与宇宙微波背景结果测量的物质量之间存在真正的差异。这可能表明模型本身的一些问题。

下一件大事

与成像调查的数码相机不同,光谱调查具有束束光纤电缆,每个束束,每个光纤电缆收集来自不同的星系的光。这些捆绑包提供有关不同从科学家可以从照片中获得的可见和不可见波长的信息类型。该信息有关对象距离和速度的精确细节。然而,光谱调查只能在成像调查可以的物体的一小部分上采取数据。

暗能谱仪器(DESI)是下一步前进。安装在亚利桑那州梅尔尔望远镜上的光谱仪器,Desi将于明年初开始收集北部天空的数据。与过去的调查相比,Desi独特的是它可以采取的纯粹数据量。它将能够将紫外线的光谱收集到紫外线的光谱同时在5,000个星系上红外线。

“它真的开辟了宇宙学时间表,”Fagrelius说,他们在这个项目上致力于她的大部分职业生涯。“这真的很令人兴奋。”Desi应该为BAO提供结果,这些结果比以前的所有计算组合在镜头和星系集群上的深入数据中组合到所有先前的计算中的三倍。结合这些结果可能会给我们最好的洞察力,但尚未成为暗能量随时间的表现。

通过这些工具以及大型舞台调查望远镜 - 预计在2023年预计将在智利推出 - 科学家预计将在暗量的精确描述中挖掘。

但是,调查可能会提高比答案更多的问题。毕竟,这项调查开始因为PerlMutter和他的团队正在努力淘汰宇宙的扩张速度。他们从未想到相反。

“我很兴奋的是我们不期望看到的东西,”Fagrelius说。“随着这一数据量,我们将发现我们不知道我们正在寻找的东西。”

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