(中國原子能科學(xué)研究院 周書華 編譯自Nikhil Padmanabhan. Physics，May 1，2019)

研究導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量是當(dāng)今宇宙學(xué)最重要的任務(wù)之一。物理學(xué)家通過對更廣大的宇宙進(jìn)行研究，對暗能量的性質(zhì)做出限制。如今暗能量巡天(DES)用四種觀測量作為探針：超新星、重子聲學(xué)振蕩、引力透鏡和星系群集。多探針方法可使未來的研究將限制改進(jìn)幾個數(shù)量級，并可能破解暗能量之謎。

有兩種暗能量測量方法。第一種是宇宙的幾何膨脹。包括對超新星和重子聲學(xué)振蕩(BAO)的觀測。Ia 型超新星可用作“標(biāo)準(zhǔn)光源”，其已知的亮度可使天文學(xué)家估計(jì)它們離地球的距離。BAO也與空間距離有關(guān)，可用作標(biāo)度宇宙長度的“標(biāo)準(zhǔn)尺”。其長度可根據(jù)宇宙微波背景(CMB)的測量估計(jì)。通過觀測不同時間BAO尺的角大小，能夠直接測量宇宙幾何背景的膨脹。

第二種測量方法考慮暗能量對可見的以及暗的宇宙結(jié)構(gòu)增長速率的影響。加速膨脹使得宇宙結(jié)構(gòu)增長減緩。這種減緩可用觀測物質(zhì)的分布來表征。DES 通過弱透鏡效應(yīng)——由于前景物質(zhì)的引力透鏡效應(yīng)引起的背景星系形狀的輕微扭曲——追蹤物質(zhì)的分布。從這種扭曲可對前景物質(zhì)(主要是暗物質(zhì))加以推測。由于弱透鏡效應(yīng)微弱，測量很困難而且易受觀測系統(tǒng)誤差的影響。

另外一種測量結(jié)構(gòu)增長減緩的方法是，通過測出可見星系位置的分布來描繪出物質(zhì)的分布。測量星系的距離需要通過光譜學(xué)方法確定星系的紅移。DES 不具有高分辨光譜學(xué)性能，但可通過五種光譜濾鏡獲得低分辨光譜。距離的誤差使三維結(jié)構(gòu)變模糊，然而所得到的分布圖仍是引力結(jié)構(gòu)的有效的探針。因?yàn)槲覀儾磺宄滴镔|(zhì)是如何相對于可見星系分布的，所以應(yīng)用有限。

暗能量巡天5 年研究中所觀測的天空區(qū)域。不同顏色表示不同的觀測輪次

DES 合作組開發(fā)了一種基于與可見星系分布相關(guān)聯(lián)的弱透鏡效應(yīng)技術(shù)，可以得到較高信噪比的星系圖。DES 合作組利用位于智利的美洲際天文臺的布蘭科望遠(yuǎn)鏡，對大面積的南方天空造影，首次將四種暗能量探針結(jié)合起來分析。得到對暗物質(zhì)與暗能量的宇宙密度的獨(dú)立限制。顯示了一次巡天中多探針方法的可行性及優(yōu)越性。首先，所有探針是在單次巡天中得到的，對多個探針的標(biāo)度與系統(tǒng)誤差可以自洽地處理。其次，可以采用一種減少觀察者偏見的分析方法。最后，四種探針同時表征，可以使巡天進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

DES 多探針的分析結(jié)果對于今后暗能量的研究非常有用。在這項(xiàng)工作中分析的數(shù)據(jù)只是DES已獲取的全部數(shù)據(jù)中的一部分。最終的數(shù)據(jù)將有3 倍多的弱透鏡效應(yīng)和星系集聚測量數(shù)據(jù)，并包括10 倍多的超新星數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)上，對當(dāng)前所給出的限制將有2—4 倍的改進(jìn)。隨著限制縮緊，不同觀測量間的差別加劇，將給出現(xiàn)有的宇宙模型失敗的信號。已發(fā)現(xiàn)哈勃常數(shù)的局部測量與CMB 和BAO 推導(dǎo)出的值不一致，以及CMB與弱透鏡效應(yīng)所揭示的結(jié)構(gòu)數(shù)量上的矛盾。DES 的完整分析可能有助于解決這些矛盾，但也可能使矛盾加劇。

長遠(yuǎn)來看，我們可以期待一些正在進(jìn)行的巡天，以及計(jì)劃中的下一年代更大規(guī)模的巡天結(jié)果。其中包括類似DES的光度測定巡天(如千平方度巡天、超級相機(jī)和大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡巡天)，光譜學(xué)巡天(擴(kuò)展的重子振蕩光譜學(xué)巡天和計(jì)劃中的4 米多目標(biāo)光譜學(xué)望遠(yuǎn)鏡和暗能量光譜學(xué)儀器巡天)，兩個將光度與光譜觀測結(jié)合的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)(歐幾里得望遠(yuǎn)鏡和廣域紅外線巡天望遠(yuǎn)鏡)，CMB測量(西蒙斯天文臺和第四階段CMB實(shí)驗(yàn))，和使用新探針，如21 cm 氫譜線和引力波巡天。項(xiàng)目的廣度確保對誘人的宇宙學(xué)問題的探索。

更多內(nèi)容詳見T. M. C. Abbottet al. Phys. Rev. Lett.， 2019， 122：171301。