如何看到不可见的使用暗物质分布来测试我们的宇宙模型

这感觉就像一个经典的悖论：你如何看待看不见的东西?但对于现代天文学家来说，这是一个非常现实的挑战：如何测量根据定义不发光的暗物质?

答案：你会看到它如何影响你能看到的东西。在暗物质的情况下，天文学家观察来自遥远星系的光如何在它周围弯曲。

在过去的一年里，一个由天体物理学家和宇宙学家组成的国际团队利用复杂的计算机模拟和世界上最强大的天文相机之一超级超级相机 (HSC) 的观测结果，梳理了这种难以捉摸的材料的秘密。该团队由普林斯顿大学和日本及天文学界的天文学家领导，利用 HSC 天空调查前三年的数据，这是一项使用 8.2 米斯巴鲁望远镜在山顶进行的广域成像调查。夏威夷的 Maunakea。斯巴鲁由日本国家天文台运营;它的名字在日语中是我们称为昴宿星团的星团的意思。

该团队在有 200 多人参加的网络研讨会上展示了他们的发现，他们将在日本举行的“未来科学与 CMB x LSS”会议上分享他们的工作。

“我们的总体目标是测量我们宇宙的一些最基本的特性，”普林斯顿大学天体物理学研究生Roohi Dalal说。“我们知道暗能量和暗物质占我们宇宙的 95%，但我们对它们到底是什么以及它们在宇宙历史中如何演化知之甚少。暗物质团块通过弱引力透镜扭曲遥远星系的光，这是爱因斯坦广义相对论预测的一种现象。这种失真是非常非常小的影响;单个星系的形状会发生难以察觉的扭曲。但是当我们对 2500 万个星系进行测量时，我们能够以相当高的精度测量畸变。”

跳到妙语：该团队测得的宇宙暗物质(宇宙学家称为“S 8 ”)的“团块度”值为 0.776，这与其他引力透镜调查在观察宇宙时发现的值一致相对较新的宇宙——但它与从宇宙微波背景得出的值 0.83 不一致，该值可以追溯到宇宙的起源。

这两个值之间的差距很小，但随着越来越多的研究证实这两个值中的每一个值，这似乎并不是偶然的。其他可能性是这两个测量之一存在一些尚未被识别的错误或错误，或者标准宇宙学模型在某种有趣的方面是不完整的。

“我们在这里仍然相当谨慎，”普林斯顿天体物理科学系主任兼 HSC 团队负责人之一迈克尔施特劳斯说。“我们并不是说我们刚刚发现现代宇宙学全错了，因为正如 Roohi 强调的那样，我们正在测量的影响非常微妙。现在，我们认为我们已经完成了正确的测量。统计数据显示，只有二十分之一的可能性只是偶然，这是令人信服但不完全确定的。但当我们天文学界在多次实验中得出相同的结论时，当我们继续进行这些测量时，也许我们会发现它是真实的。”

隐藏和揭示数据

标准宇宙学模型需要一些改变，还有一些基本的宇宙学有待发现，这些想法对一些科学家来说是一个非常诱人的想法。

“我们是人，我们确实有偏好。这就是我们进行所谓的‘盲法’分析的原因，”Strauss 说。“科学家们已经变得足够自觉，知道无论我们多么小心，我们都会对自己产生偏见，除非我们进行分析，直到最后才让自己知道结果。对我来说，我很想真正找到一些全新的东西。那将是真正令人兴奋的。但因为我在那个方向上有偏见，所以我们要非常小心，不要让它影响我们所做的任何分析。”

为了保护他们的工作不受偏见的影响，他们从字面上向自己和同事隐藏了他们的结果——一个月又一个月又一个月。

“我花了一年时间进行这项分析，但没有看到得出的价值，”Dalal 说。

该团队甚至添加了一个额外的混淆层：他们对三个不同的星系目录进行了分析，一个是真实的，另一个是数值被随机值抵消的。

“我们不知道其中哪些是真实的，所以即使有人不小心看到了这些值，我们也不知道结果是否基于真实的目录，”她说。

2 月 16 日，国际团队聚集在 Zoom 上——晚上在普林斯顿，早上在日本和——进行“揭盲”。

“我们经历的感觉就像是一个仪式，一种仪式，”施特劳斯说。“我们公布了数据，并运行了我们的图表，我们立即发现它很棒。每个人都说，'哦，哇!每个人都很开心。”

达拉尔和她的室友那天晚上开了一瓶香槟。

用世界上最大的望远镜相机进行大规模调查

HSC 是世界上同尺寸望远镜上最大的相机，它将一直保持到目前在智利安第斯山脉建设中的 Vera C. Rubin 天文台于 2024 年底开始时空巡天 (LSST) 之前。事实上，来自 HSC 的原始数据是用专为 LSST 设计的软件处理的。“看到我们的软件管道能够在 LSST 之前处理如此大量的数据，真是令人着迷，”普林斯顿大学副研究员安德烈斯普拉萨斯说。

研究小组使用的调查覆盖了大约 420 平方度的天空，大约相当于 2000 个满月。它不是一块连续的天空，而是分成六块不同的部分，每一块的大小都可以用伸出的拳头覆盖。他们调查的 2500 万个星系是如此遥远，以至于 HSC 没有看到这些星系今天的样子，而是记录了它们在数十亿年前的样子。

这些星系中的每一个都散发着数百亿个太阳的光芒，但由于距离太远，它们极其微弱，比我们肉眼所能看到的最微弱的恒星还要微弱 2500 万倍。

“看到 HSC 合作的这些结果非常令人兴奋，特别是因为这些数据最接近我们对鲁宾天文台的预期，社区正在共同努力，”宇宙学家亚历山德拉阿蒙说，他是剑桥大学的高级 Kavli 研究员和三一学院的高级研究员，他没有参与这项研究。“他们的深入调查产生了漂亮的数据。对我来说，有趣的是，HSC 与其他独立的弱透镜调查一样，指出 S 8的价值较低——这是重要的验证，令人兴奋的是，这些紧张局势和趋势迫使我们停下来思考这些数据告诉我们的是什么关于我们的宇宙!”

标准宇宙模型

波恩大学的安德丽娜·尼古拉 (Andrina Nicola) 解释说，宇宙学的标准模型在某些方面“简单得惊人”，达拉尔在普林斯顿大学做博士后时曾在这个项目上担任顾问。该模型假定宇宙仅由四种基本成分组成：普通物质(原子，主要是氢和氦)、暗物质、暗能量和光子。

根据标准模型，自 138 亿年前的大爆炸以来，宇宙一直在膨胀：它开始时几乎完全光滑，但引力对宇宙细微波动的拉动导致了结构——星系被暗物质团块包裹——来形成。在当今宇宙中，普通物质、暗物质、暗能量的相对贡献分别约为 5%、25% 和 70%，加上光子的微小贡献。

标准模型仅由少数几个数字定义：宇宙的膨胀率;衡量暗物质块状程度的指标 (S 8 );宇宙成分的相对贡献(上述 5%、25%、70% 的数字);宇宙的整体密度;以及一个技术量，描述了宇宙在大尺度上的团块与小尺度上的团块之间的关系。

“基本上就是这样!” 施特劳斯说。“我们，宇宙学界，已经汇聚在这个自 2000 年代初就存在的模型上。”

宇宙学家渴望通过以各种方式限制这些数字来测试这个模型，例如通过观察宇宙微波背景的波动(本质上是宇宙的婴儿照片，捕捉它在最初 400,000 年之后的样子)，模拟膨胀宇宙的历史，测量宇宙在相对较近的过去的团块，等等。

“我们正在证实社区中越来越多的人认为，早期宇宙的聚集测量(从 CMB 测量)与星系时代的测量之间存在真正的差异，‘仅’ 90 亿年前，”说参与分析的普林斯顿大学副研究员 Arun Kannawadi。

五线攻击

Dalal 的工作进行了所谓的傅里叶空间分析;卡内基梅隆大学的 Xiangchong Li 领导了一项平行实空间分析，他与Rachel Mandelbaum密切合作，后者于 2000 年完成了她的物理 AB，并在 2000 年获得了博士学位。2006年，均来自普林斯顿。第三种分析，即所谓的 3x2 点分析，采用不同的方法测量单个星系周围的引力透镜信号，以校准与每个星系相关的暗物质数量。该分析由东京大学的 Sunao Sugiyama、名古屋大学的Hironao Miyatake(前普林斯顿博士后研究员)和印度浦那大学间天文学和天体物理学中心的 Surhud More 领导。

这五组分析均使用 HSC 数据得出关于 S 8的相同结论。

Dalal 说，同时进行实空间分析和傅立叶空间分析“是一种合理性检查”。她和李密切合作，使用盲法数据协调他们的分析。这两者之间的任何差异都会表明研究人员的方法是错误的。“它会告诉我们更少关于天体物理学的信息，更多地告诉我们我们可能是如何搞砸的，”达拉尔说。

“直到揭盲，我们才知道两个结果完全相同，”她说。“感觉很神奇。”

Sunao 补充说：“我们的 3x2 点分析结合了弱透镜分析和星系聚类。揭盲后才知道，我们的结果与Roohi和Xiangchong的结果非常吻合。事实上，所有这些分析都给出了相同的答案，这让我们相信我们正在做正确的事情!”