29篇新論文，345個觀測夜晚，包含2.26億個星系，橫跨70億光年的宇宙，超過?的天空……

這些數(shù)字可以概括暗能量巡天（Dark Energy Survey，DES）團隊發(fā)布的最新成果。研究利用了一片巨大天空區(qū)域中有史以來最大的星系樣本，對宇宙的組成和變化進行了迄今為止最精確的測量。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大體上來說，物質(zhì)在整個宇宙中的分布方式與目前最好的宇宙模型——宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測是一致的。同時，研究也獲得了一些有趣的新發(fā)現(xiàn)，有待進一步探索。

我們都知道，常規(guī)物質(zhì)只占宇宙的5%左右，剩余的95%都是“未知”。宇宙學(xué)家假設(shè)，暗能量通過抵消引力來驅(qū)動宇宙加速膨脹，大約占宇宙總能量和總物質(zhì)的69%。剩下的一部分被稱為暗物質(zhì)，它的引力影響能將星系聚在一起。

 宇宙中常規(guī)物質(zhì)、暗物質(zhì)與暗能量的分布示意圖。| 圖片來源：Mohamed Abdullah, UC Riverside

暗物質(zhì)和暗能量都非常神秘，且無法觀測。但DES試圖通過研究兩者之間的“角力”如何在宇宙時間內(nèi)塑造宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，來闡明它們的本質(zhì)。

為了量化暗物質(zhì)的分布和暗能量的影響，DES依賴兩種主要現(xiàn)象。

首先，在大尺度上，星系并非隨機分布在整個空間中，而是由于暗物質(zhì)的引力形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。DES測量了這個“宇宙網(wǎng)”在宇宙歷史上是如何演化的。反過來，形成宇宙網(wǎng)的星系聚集則能揭示暗物質(zhì)密度更高的區(qū)域。

其次，DES通過弱引力透鏡探測暗物質(zhì)的特征。當(dāng)來自遙遠星系的光在太空中傳播時，常規(guī)物質(zhì)和暗物質(zhì)的引力都會讓它彎曲，導(dǎo)致從地球上看到的是星系的扭曲圖像。DES的科學(xué)家通過研究遙遠星系的表面形狀的排列以及它們與附近星系的相對位置，可以推斷出宇宙中暗物質(zhì)的空間分布。

在6年時間里，DES使用智利托洛洛山美洲天文臺維克托· M. 布蘭科望遠鏡上的暗能量相機拍攝了夜空。它在758個夜晚的觀測中調(diào)查了5000平方度，差不多是整個天空的八分之一，并記錄下了數(shù)億個天體。相機將天空中的10個區(qū)域選定為“深場”，并在整個觀測過程中對其反復(fù)成像。將這些圖像疊加，科學(xué)家就可以瞥見更遙遠的星系。

 相機將天空中的10個區(qū)域選定為“深場”，并在整個觀測過程中對其反復(fù)成像。| 圖片來源：Dark Energy Survey

近期公布的結(jié)果利用了整個項目中頭三年的數(shù)據(jù)，這里包含345個夜晚觀測的2.26億個星系，從而繪制出了迄今最大、最精確的相對近代星系的分布圖。

分析DES收集到的大量數(shù)據(jù)是一項極為艱巨的任務(wù)。團隊最初從第一年的數(shù)據(jù)著手。這個過程讓研究人員積累了經(jīng)驗，為后來利用更復(fù)雜的技術(shù)分析更大的數(shù)據(jù)集做好了準(zhǔn)備。

這些分析都非常前沿，需要人工智能和高性能的計算。通過對一億個較遠星系的形狀的弱引力透鏡研究，科學(xué)家繪制出了一幅非常精確的星系與暗物質(zhì)地圖。觀測和建模等方面的進步，加上數(shù)據(jù)量的增加，使團隊能夠以前所未有的精度確定宇宙的密度和聚集程度。

 地圖展示了宇宙中暗物質(zhì)的模式。| 圖片來源：N. Jeffrey/Dark Energy Survey collaboration

除了分析弱引力透鏡的信號外，DES還精確地測量了其他“探針”，它們都以獨立的方式約束著宇宙學(xué)模型，比如更大尺度上的星系聚集（重子聲學(xué)振蕩）、大質(zhì)量星系團的頻率，以及對Ia型超新星亮度和紅移的高精度測量。這些額外的測量與弱引力透鏡分析結(jié)合，將對宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型產(chǎn)生更嚴(yán)格的約束。

為了測試目前的宇宙模型，DES科學(xué)家將他們的結(jié)果與歐洲航天局（ESA）普朗克天文臺的測量結(jié)果進行了比較。普朗克利用的是被稱為宇宙微波背景（CMB）的光信號，它能回溯到大爆炸40萬年后的早期宇宙。普朗克的數(shù)據(jù)給出了130億年前宇宙的精確視圖，而宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型則預(yù)測了暗物質(zhì)至今的演化。如果DES的觀測結(jié)果與這種預(yù)測不符，那么宇宙可能存在著一個尚未被發(fā)現(xiàn)的方面。

一個有趣的結(jié)果是，無論是DES，還是先前其他一些弱引力透鏡項目，包括超廣角主焦點照相機巡天（HSC）和千平方度巡天（KiDS）項目，它們的結(jié)果都暗示，當(dāng)前的宇宙比預(yù)測的要更“平滑”，引力透鏡效應(yīng)比預(yù)期的更小一些，換句話說，暗物質(zhì)的聚集程度更低?？茖W(xué)家均表示，這是一個值得進一步研究的發(fā)現(xiàn)。

但考慮到實驗不確定性等因素，團隊仍認(rèn)為，大體上來說，DES的觀測結(jié)果與宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測是一致的。

由于DES研究了附近以及數(shù)十億光年之外的星系，它的地圖既提供了當(dāng)前宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的快照，也能夠提供過去70億年中這種結(jié)構(gòu)如何演變的“電影”。

DES已于2019年完成了對夜空的觀測。憑借對前半部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析得到的經(jīng)驗，團隊目前正準(zhǔn)備處理完整的數(shù)據(jù)集。DES的最終分析有望描繪出宇宙中暗物質(zhì)和暗能量的更為精確的圖景，他們發(fā)展出的新方法也為未來探索宇宙奧秘鋪平了道路。