科学家利用宇宙微波背景辐射创造了精确的暗物质分布图

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斯蒂芬五重奏的视图，这是詹姆斯韦伯望远镜的五个星系的视觉分组。图片来源：NASA/ESA/CSA/STScI

在1960年代，天文学家开始注意到在各个方向都可以看到普遍的微波背景。此后被称为宇宙微波背景（CMB），这种遗物辐射的存在证实了大爆炸理论，该理论假设所有物质都凝结在一个密度无限大、热量极高的点上，大约在138亿年前开始膨胀。

通过测量CMB的红移并将其与局部距离测量（使用变星和超新星）进行比较，天文学家试图测量宇宙膨胀的速度。

大约在同一时间，科学家们观察到星系的旋转曲线远高于其可见质量。这意味着要么爱因斯坦的广义相对论是错误的，要么宇宙充满了一个神秘的、看不见的质量。

在一系列新的论文中，阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）合作的成员使用CMB的背景光创建了一张新的暗物质分布图，覆盖了四分之一的天空并延伸到宇宙深处。这张地图证实了广义相对论及其对质量如何改变时空曲率的预测。

ACT是一个国际联盟，由来自美国，英国，加拿大，法国，德国，意大利，智利，瑞士，日本，南非和美国宇航局戈达德太空飞行中心的160多名科学家组成。

他们的目标是通过监测“宇宙黎明”（当时宇宙只有38万年的历史）期间出现的光来改进描述早期宇宙的参数测量，今天作为CMB可见。通过将其与局部宇宙的测量进行比较，天文学家和宇宙学家希望更多地了解它是如何演变的。

根据主要的宇宙学模型 - Lambda冷暗物质（LCDM）模型 - 暗物质占宇宙质量的85%。不幸的是，它不会通过电弱或强核力与正常（“发光”）物质相互作用，只有重力（最弱的基本力）。为了追踪这种虚幻和“看不见”的质量，ACT合作使用了阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT），这是一架定制的六米（~20英尺）毫米波望远镜，位于智利北部的Llano de Chajnantor天文台。

大爆炸（左），波浪线说明了扭曲;ACT接收到的扭曲光（右）;新的暗物质地图（左下）。资料来源：露西·雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会/ACT合作

正如他们在计划发表在《天体物理学杂志》上的三篇新论文中所描述的那样，该团队依赖于ACT数据发布6（DR6）的数据，其中包括五个季节的CMB温度和偏振观测。这些光读数基本上用于背光从今天到大爆炸（约138亿年前）之间的所有物质。普林斯顿大学亨利·德沃尔夫·史密斯（Henry DeWolf Smyth）物理学教授、ACT主任苏珊娜·斯塔格斯（Suzanne Staggs）说：

“这有点像剪影，但轮廓中不仅仅是黑色，而是纹理和暗物质块，就好像光线穿过布帘，里面有很多结和凸起。著名的蓝色和黄色CMB图像是大约130亿年前宇宙在一个时代的样子的快照，现在这为我们提供了此后所有时代的信息。

这里提到的图像是基于威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）在2001年至2003年间收集的数据的著名全天空图像。这项任务（一直运行到2010年）建立在宇宙背景探测器（COBE）先前的工作基础上，该探测器从1989年到1993年收集了CMB的数据。

然后是欧空局的普朗克卫星，该卫星从2009年到2013年测量了CMB，以绘制微小的温度波动。由此产生的越来越精确的地图通过显示宇宙的初始条件，提供了对宇宙演化的洞察。

这张最新的地图使这项研究更进一步，用它来测量物质的结构是如何演变的，其中85%是暗物质。为了可视化这种神秘质量的存在和分布，研究小组研究了它的引力如何影响CMB和地球之间的时空曲率。这有效地展示了大量的质量（可见和不可见）如何改变它的光在行进数十亿光年（和数十亿年）到达我们时所遵循的路径。

由九年的WMAP观测得出的CMB温度波动的全天空图像。这些是宇宙不到40万年时星系的种子。图片来源：NASA/WMAP

该团队追踪了大质量暗物质结构的引力如何在140亿年的旅程中扭曲CMB，就像古董，块状窗户弯曲并扭曲我们可以通过它们看到的东西一样。由此产生的地图揭示了暗物质的“支架”，它容纳可见物质并环绕和连接星系和星系团。

这导致了宇宙的大尺度结构（通常被称为“宇宙网”），在图像中可以清楚地看到。该地图还打破了惯例，测量了我们宇宙中物质的分布，不是用光，而是用质量。

共同作者Blake Sherwin说，他是普林斯顿大学2013年的博士校友，也是剑桥大学宇宙学教授（他领导ACT研究小组）：

“我们已经绘制了天空中看不见的暗物质分布图，正如我们的理论预测的那样。这是一个惊人的证据，证明我们了解宇宙结构如何在数十亿年的时间里形成的故事，从大爆炸之后到今天。值得注意的是，宇宙中80%的质量是看不见的。通过将天空中的暗物质分布映射到最远的距离，我们的ACT透镜测量使我们能够清楚地看到这个看不见的世界。

“我们利用大爆炸留下的光线扭曲制作了一张新的质量图，”普林斯顿大学助理教授Mathew Madhavacheril说，他是2016-2018年普林斯顿大学博士后，也是其中一篇论文的主要作者。“值得注意的是，它提供的测量表明，宇宙的'块状'，以及经过140亿年的进化后它的增长速度，正是你对基于爱因斯坦引力理论的标准宇宙学模型所期望的。

一个简单的棋盘图案，代表CMB（左）通过中间质量（紫色）扭曲以在右侧创建扭曲的图像（由ACT接收）。资料来源：露西·雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会

宾夕法尼亚大学里斯花天文学教授兼ACT副主任马克·德夫林（Mark Devlin）是2000年代初看到这项实验潜力的少数研究人员之一。 “当我们在2003年提出这个实验时，我们不知道可以从我们的望远镜中提取的全部信息，“他说。我们把这归功于理论家的聪明，许多人建造了新仪器，使我们的望远镜更加灵敏，以及我们的团队提出的新分析技术。

他们的结果还可以为所谓的“宇宙学危机”提供新的见解，其中使用CMB与本地恒星的光测量产生不同的值。这种差异也被称为“哈勃张力”，表明暗物质不够“块状”，宇宙学的标准模型（LCDM）可能是不正确的。然而，ACT团队的最新结果精确地评估了这些肿块的大小和分布，并确定它们与LCDM模型完全一致。斯塔格斯的团队在过去五年中建造了收集数据的探测器，他认为他们的新地图可以将这场“危机”转化为机遇：

“CMB已经以其对宇宙原始状态的无与伦比的测量而闻名，因此这些描述其后续演变的透镜图几乎是财富的尴尬。我们现在有了第二张非常原始的宇宙地图。我认为我们有一个非凡的机会来一起使用这些不同的数据集，而不是“危机”。我们的地图包括所有的暗物质，可以追溯到大爆炸，其他地图正在回顾大约90亿年，给了我们一个离我们更近的图层。我们可以比较两者以了解宇宙中结构的生长。我认为结果会非常有趣。这两种方法得到不同的测量结果令人着迷。

虽然ACT于2022年9月退役（在运行15年后），但它收集的数据仍然激发了新的研究和突破。预计很快就会有更多论文介绍DR6中最后一组观测的结果，西蒙斯天文台将在同一视线进行未来的观测。这些将使用计划于2024年开始运行的新望远镜完成，该望远镜能够绘制天空的速度几乎是ACT的十倍。也许我们可以期待全天空调查，绘制暗物质的分布图，可以追溯到宇宙的开始。

这三篇论文发表在arXiv预印本服务器上。

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原标题：《『科学家们利用宇宙微波背景辐射创造了精确的暗物质分布图》

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