科學(xué)家們已經(jīng)破譯了宇宙最早的光中微弱的扭曲現(xiàn)象，以描繪出我們?nèi)庋劭床坏降木薮蟮木W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即所謂的細(xì)絲，它是將物質(zhì)傳送到密集中心(如星系團(tuán))的超級(jí)高速公路。國際科學(xué)團(tuán)隊(duì)，包括來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)和加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員，分析了來自過去天空研究數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)，在基于重力效應(yīng)中，識(shí)別出這些絲的形狀。他們還使用模型和有關(guān)纖維理論來幫助指導(dǎo)和解釋他們的分析。
在這個(gè)例子中，宇宙微波背景(CMB)光的軌跡被我們?nèi)庋劭床坏降慕z狀結(jié)構(gòu)彎曲，形成了一種被普朗克衛(wèi)星(左)所捕獲的弱透鏡效應(yīng)。研究人員使用電腦來研究這種微弱的CMB透鏡，并繪制出一幅細(xì)絲的地圖，它的長度通常長達(dá)數(shù)百光年。圖片：Siyu He, Shadab Alam, Wei Chen, and Planck/ESA
4月9日發(fā)表在《自然》雜志上天文學(xué)、細(xì)絲詳細(xì)探索將有助于研究人員更好地理解宇宙網(wǎng)的形成和演化，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，包括神秘看不見的東西——被稱為暗物質(zhì)，占宇宙總質(zhì)量的85%。暗物質(zhì)構(gòu)成了細(xì)絲——研究人員通常會(huì)在數(shù)億光年的范圍內(nèi)進(jìn)行拉伸和彎曲——而所謂的“光環(huán)”則是由宇宙的細(xì)絲網(wǎng)提供。對(duì)這些細(xì)絲更多研究可以為暗能量提供新的見解，暗能量是宇宙加速膨脹的另一個(gè)奧秘。長絲特性也可以將引力理論引入到測試中，包括愛因斯坦的廣義相對(duì)論，并提供了重要的線索，以幫助解決在宇宙中存在可見物質(zhì)的明顯失配——“失蹤重子問題”。
伯克利實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)的物理學(xué)副教授雪莉·豪(Shirley Ho)說：通常研究人員不會(huì)直接研究這些細(xì)絲——會(huì)觀察觀測中的星系，用同樣的方法找到了雅虎和谷歌用于圖像識(shí)別的燈絲，比如識(shí)別街道標(biāo)識(shí)的名字，或者在照片中找到貓。重子振動(dòng)光譜的研究使用的數(shù)據(jù)調(diào)查，一個(gè)地面巡天捕獲光從大約150萬個(gè)星系研究宇宙膨脹和物質(zhì)的圖案分布在宇宙中，在聲波的傳播或“重子的聲學(xué)振蕩。早期宇宙中蕩漾。由伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家擔(dān)任主要角色的“BOSS survey team”制作了一份可能的絲結(jié)構(gòu)目錄，該目錄將研究人員從最新研究中提取的物質(zhì)串接在一起。
宇宙網(wǎng)中的長絲結(jié)構(gòu)在不同的時(shí)間周期顯示，從宇宙的123億歲(左)到宇宙74億歲(右)。該動(dòng)畫的占地面積為7500平方米。對(duì)于用藍(lán)色表示的燈絲結(jié)構(gòu)來說，證據(jù)最為有力，其他可能的燈絲結(jié)構(gòu)有紫色、紫紅色和紅色。圖片：Yen-Chi Chen and Shirley Ho
研究人員還依賴于宇宙微波背景(CMB)的精確的、基于空間的測量，而CMB是宇宙第一個(gè)光的幾乎一致的殘余信號(hào)。雖然這個(gè)光信號(hào)在整個(gè)宇宙中非常相似，但在之前的調(diào)查中有規(guī)律的波動(dòng)。在最新的研究中，研究人員關(guān)注的是CMB的模式波動(dòng)，他們使用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法來尋找在CMB(被稱為弱透鏡效應(yīng))中，由于CMB光穿過物質(zhì)而產(chǎn)生的弱透鏡效應(yīng)。
由于星系生活在宇宙最密集的區(qū)域，所以從CMB光的偏轉(zhuǎn)中發(fā)出微弱的透鏡信號(hào)是最強(qiáng)烈的。暗物質(zhì)存在于這些星系周圍的光環(huán)中，也被認(rèn)為是從那些密度更大的區(qū)域擴(kuò)散開來的。我們知道這些細(xì)絲也應(yīng)該引起的，將產(chǎn)生一個(gè)可衡量的弱引力透鏡信號(hào)，該研究的主要作者是卡耐基梅隆大學(xué)的博士研究員——她現(xiàn)在在伯克利實(shí)驗(yàn)室也是隸屬于加州大學(xué)伯克利分校。
研究小組使用統(tǒng)計(jì)技術(shù)來識(shí)別和比較“脊”，或者更高密度的點(diǎn)，理論告訴他們，這些“脊”會(huì)指向絲狀物的存在。我們不僅僅是試圖‘連接這些點(diǎn)’——試圖在密度中找到這些隆起，在密度上的局部最大點(diǎn)。用其他的絲和星系團(tuán)數(shù)據(jù)，以及基于觀察和理論的模擬細(xì)絲來檢查他們的發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)使用了在伯克利實(shí)驗(yàn)室的國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)生成的大型宇宙模擬，以檢查測量中的誤差。
（圖為研究模擬視頻截圖）
這些細(xì)絲和它們的連接可以隨著時(shí)間的變化而改變形狀和連接。引力拉力和宇宙膨脹的相互作用可以縮短或延長細(xì)絲。該研究的作者之一米勒是一個(gè)加州大學(xué)伯克利分校的物理宇宙中心的博士后研究員西蒙尼·費(fèi)拉羅說：絲這個(gè)積分宇宙網(wǎng)的一部分，盡管目前尚不清楚什么是底層暗物質(zhì)和纖維之間的關(guān)系，這是這項(xiàng)研究的主要?jiǎng)訖C(jī)。來自現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的新數(shù)據(jù)，以及新一代的天空調(diào)查，如伯克利實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的暗能量光譜儀器(DESI)，現(xiàn)在正在位于亞利桑那州的Kitt Peak國家天文臺(tái)的建設(shè)中，應(yīng)該提供關(guān)于這些細(xì)絲的更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。
研究人員注意到，這一重要的研究步驟，也應(yīng)該有助于重點(diǎn)研究，以確定在細(xì)絲、這些氣體的溫度、以及粒子如何進(jìn)入和運(yùn)動(dòng)的機(jī)制中所存在的氣體類型，研究還允許他們確定細(xì)絲的長度。解決絲結(jié)構(gòu)的問題也可以為細(xì)絲周圍空間的空洞的性質(zhì)和內(nèi)容提供線索，并幫助其他理論，這些理論是對(duì)廣義相對(duì)論的修正。也可以使用這些細(xì)絲來限制暗能量——它們的長度和寬度可以告訴我們一些關(guān)于暗能量的參數(shù)。
博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn)：Nature Astronomy｜來自：勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室
