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天体物理学家把110亿年的宇宙膨胀史填满

斯隆数字天空调查(SDSS)今天发布了一份关于宇宙迄今为止最大的三维地图的综合分析报告,填补了我们对宇宙历史可能探索中最重要的空白。

犹他大学的宇宙学家凯尔·道森领导了今天宣布结果的研究小组,他说:“我们对宇宙的古代历史和它最近的膨胀历史都相当了解,但在中期的110亿年存在一个令人头疼的缺口。”“5年来,我们一直在努力填补这一空白,我们正在利用这些信息提供过去10年来宇宙学方面一些最实质性的进展。”

新的结果来自扩展重子振荡光谱调查(eBOSS),这是一个由100多名天体物理学家组成的国际合作项目,也是SDSS的组成调查项目之一。新结果的核心是对覆盖110亿年宇宙时间的200多万个星系和类星体的详细测量。

我们知道宇宙在婴幼时期是什么样子,这要归功于来自世界各地的数千名科学家,他们测量了宇宙大爆炸后不久产生的元素的相对数量,并研究了宇宙微波背景。我们还可以从星系地图和距离测量(包括SDSS之前阶段的数据)中了解到它在过去几十亿年间的扩张历史。

“综合起来,对eBOSS地图的详细分析和早期的SDSS实验,现在提供了宇宙时间最广范围内最精确的膨胀历史测量数据,”eBOSS的调查科学家、滑铁卢大学的威尔·珀西瓦尔说。“这些研究让我们能够将所有这些测量数据联系到宇宙膨胀的一个完整故事中。”

仔细观察这张地图,你会发现这些细丝和空洞定义了宇宙的结构,它们始于宇宙只有大约30万年的时候。从这张地图上,研究人员测量了星系分布的模式,这为我们的宇宙提供了几个关键参数,精确度超过1%。这些图案的信号显示在图像的插图中。

这张地图代表了20多年来利用斯隆基金会望远镜绘制宇宙地图的共同努力。这张地图所揭示的宇宙历史表明,大约60亿年前,宇宙的膨胀开始加速,并且从那时起一直在变得越来越快。这种加速膨胀似乎是由于宇宙中神秘的不可见成分“暗能量”造成的,这与爱因斯坦的广义相对论相一致,但又与我们目前对粒子物理学的理解大相径庭。

结合eBOSS的观测和对宇宙幼年时期的研究,这张宇宙图片上出现了裂缝。特别的是,eBOSS团队对当前宇宙膨胀率(“哈勃常数”)的测量值比从距离附近的星系发现的值低10%左右。eBOSS数据的高精度意味着这种不匹配不太可能是偶然的,而丰富多样的eBOSS数据为我们提供了多种独立的方法来得出相同的结论。

“只有像我们这样的地图,你才能确切地说哈勃常数不匹配,”牛津大学的Eva-Maria Mueller说,她领导了对整个SDSS样本结果的分析。“这些来自eBOSS的最新地图比以往任何时候都更清楚地显示了这一点。”

对于这种膨胀速率上的差异,目前还没有得到广泛接受的解释,但一种令人兴奋的可能性是,来自早期宇宙的未知物质或能量可能在我们的历史上留下了痕迹。

eBOSS团队从今天公开的20多篇科学论文中得出了这些结果。这些论文在超过500页的篇幅中描述了团队对最新eBOSS数据的分析,标志着调查关键目标的完成。

在eBOSS团队中,来自世界各地大学的各个小组专注于分析的不同方面。为了创建60亿年前的这部分地图,该团队使用了大型的红色星系。在更远的地方,他们使用了更年轻的蓝色星系。最后,为了绘制出110亿年前甚至更久的宇宙,他们使用了类星体。类星体是一种明亮的星系,被落在中央超大质量黑洞上的物质照亮。每一个样本都需要仔细分析,以去除污染物,并揭示宇宙的模式。

米勒说:“通过将SDSS数据与来自宇宙微波背景、超新星和其他项目的额外数据相结合,我们可以同时测量宇宙的许多基本属性。”“SDSS的数据覆盖了宇宙时间的大范围,为测量宇宙的几何曲率提供了最大的进步,发现它是平的。它们还允许测量局部膨胀率超过1%。”

eBOSS,更普遍的是SDSS,留下了暗能量的谜团,以及局部和早期宇宙膨胀率的不匹配,作为未来项目的遗产。在未来的十年里,未来的调查可能会解决这个难题,或者可能会揭示更多的惊喜。

与此同时,在Alfred P. Sloan基金会和机构成员的持续支持下,SDSS还远未完成绘制宇宙地图的任务。哈弗福德学院的Karen Masters是SDSS当前阶段的发言人,她描述了她对下一阶段的兴奋之情。“斯隆基金会(Sloan Foundation)的望远镜和位于拉斯坎帕纳斯天文台(Las Campanas Observatory)的同款望远镜将继续进行天文发现,绘制数以百万计的恒星和黑洞的地图,这些恒星和黑洞随着宇宙时间的变化和进化。”SDSS团队正忙于构建硬件来开启这个新阶段,并期待着未来20年的新发现。

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