成团性不太高的暗物质提出的宇宙学挑战

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-12-27 21:09:29 | 作者:Melipal 译 | 来源:Sky & Telescope | 浏览:741次 ]

原文标题:Not-So-Clumpy Dark Matter Poses Cosmological Challenge

作者:Govert Schilling   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2016. 12. 7

编译:Melipal   审校:Linq(编译版权所有,未经许可请勿转载)

对一项新的巡天进行分析的天文学家发现,现代宇宙中的暗物质分布要比根据遥远的年轻宇宙观测结果作出的预言更加光滑。

对弱引力透镜进行的分析绘制出了千度巡天观测的一块天区中暗物质的分布图。(图片提供:Kilo—Degree Survey Collaboration / H. Hildebrandt & B. Giblin / ESO)

宇宙中暗物质的大尺度分布要比预期更为平滑。这一让人惊讶的结论是基于对大约1500万个遥远星系的形态进行彻底的统计分析而得出的。

星系的影像被视线方向上叠加的物质的引力略微扭曲过,这个现象叫做弱引力透镜(参见我在今年9月发表在《天空与望远镜》杂志上的文章)。不过国际合作的千度巡天(KIDS)研究的正是这种所谓的宇宙剪切,他们发现这一效应要比标准宇宙学模型预言的小10%。

在即将发行的一期《皇家天文学会月刊》上,KIDS小组称:“如果张力(……)持续存在(……),对当前协调模型的修改是必要的。”

测绘(不可见的)宇宙网络

当前的理论认为,新生宇宙是非常均匀的,宇宙微波背景辐射(CMB)就为此提供了证据。在大爆炸的余辉中,全天只表现出了微小的温度起伏,这意味着密度的起伏也是很小的。但是从这些微小起伏开始,随着时间的推移,暗物质凝聚成了庞大的纤维与页状网络。随后引力吸引了普通物质,凝结成了超星系团、星系团和单个星系。

与来自德国阿格兰德(Argelander)天文学研究所的亨德里克·希尔德布拉德(Hendrik Hildebrandt)联合领导本项新研究的荷兰莱顿(Leiden)天文台的马西莫·维奥拉(Massimo Viola)称,在星系际宇宙网络的纤维中分布的物质占据宇宙中物质总量的25%。

要测绘这张以暗物质为主的网络,唯一的方法是研究它在背景星系形态中留下的极微弱指纹。使用欧洲南方天文台设在智利帕拉纳尔(Paranal)观测站的2.6米VLT巡天望远镜进行的KIDS巡天是3个正在进行中的大型宇宙剪切巡天项目之一。到目前为止,它已经测绘了5个天区,总面积450平方度(我们需要大约2200个满月才能覆盖同样大小的天区)。

另两项大型宇宙剪切巡天分别是使用同样位于智利的托洛洛山美洲天文台4米布兰科(Blanco)望远镜进行的暗能量巡天(DES),还有使用夏威夷莫纳克亚山(Mauna Kea)日本8.2米昴星团望远镜进行的超级主焦点照相机(HSC)巡天。到现在为止,这两项巡天尚未就此问题发表确切的结果,不过DES公布了对初步的“科学验证”数据的分析,其结论与KIDS大致相同。

基于欧洲空间局普朗克卫星的观测,宇宙学家预期,暗物质在大尺度上的分布应该是成团性较高的。普朗克精确测绘了CMB的温度起伏,然后天文学家将这个信息与我们对宇宙膨胀历史的认知以及一些关于暗物质引力特性的假设结合起来,给出了对当前暗物质分布的预言。但KIDS发现的暗物质分布较预计的更加光滑。这种表面上的不一致对天文学家提出了一个挑战。

千度巡天、暗能量巡天以及超级主焦点照相机巡天找寻的都是弱引力透镜,以此来测绘宇宙中暗物质的分布。KIDS是其中最早公布结果的。上图最早刊登于《天空与望远镜》杂志的2016年9月号大图请点击

平滑暗物质导致的张力

来自荷兰莱顿天文台的KIDS首席研究员柯恩·柯伊肯(Koen Kuijken)称,早先较小、较浅的巡天项目对宇宙剪切的观测已经暗示,暗物质的分布要比预期更加平滑。

柯伊肯说:“也许在宇宙的膨胀历史中,暗能量扮演的角色与通常假定的不同。或者说暗物质的性质和流行的冷暗物质模型的预言不太一样。甚至还可能在宇宙最大的尺度上引力的行为不一样。”柯伊肯很有信心地认为,理论家很快就可以提出不同的模型,来解释最新的观测。

不过弱引力透镜的研究先驱、未来大口径全天巡视望远镜(LSST)的首席科学家、来自加州大学戴维斯(Davis)分校的托尼·泰森(Tony Tyson)称,KIDS与普朗克数据之间的不符并不那么可怕。LSST预定将于2022年初光。

泰森说:“KIDS的星系要比深度巡天的观测对象距离我们近得多,因此透镜信号也相应更小,这让系统误差变得更加突出。”他认为,解决这个问题需要对跨越半个天空数十亿个星系进行深度大视场巡天,而且要求系统误差控制良好。“LSST的设计目标就是解决这个问题。”

(全文完)

Tags:暗物质 大尺度 弱引力透镜

责任编辑:Melipal

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