A道格拉斯亚当斯写在 搭便车’Galaxy的指南, “空间很大....你刚刚赢了’相信有多大,大幅上,思想令人沮丧的是。”我们和许多其他天文学家致力于在最大的规模上创建宇宙的地图—发现宇宙真正的大大大以及它是如何工作的。

我们创造的地图对于研究推动宇宙历史的物理来说至关重要。 2020年7月,我们曾在称为Sloan Digital Sky调查的20年的项目产生了有史以来最大的宇宙地图。它包括我们的周围环境,最远的空间达到,以及之间的一切。这个三维图表包含了四百万个星系的职位,如十亿岁的光电年份,延迟到宇宙中最早的时期的时间。

地图显示了星系未随机分发。相反,他们在某些地区的长丝和二维星系上的聚集在一起;含有少量星系的黑暗空隙。科学家认为,在星系出生之前出现的这些模式,在大爆炸后少于十亿年。通过尽可能多的宇宙历史来映射,我们可以记录这些模式的增长,并推断出引导其进化的基本法律。这个星系的图表提供了在寻求理解物理学中的一些最大的奥秘的关键信息,例如宇宙的几何形状以及驾驶加速扩张空间的暗能的性质。

核心和贝壳

Sloan Digital Sky Square,它在新墨西哥州的Apache Point Observatory中使用了Sloan Foundation望远镜,包括扩展的Baryon振荡光谱测量(Eboss)项目及其前身老板。这些努力基于其测量在叫做Baryon声学振荡的空间(BaO)的空间中的星系排列中的图案。要了解这种模式,我们必须考虑在前300,000年期间宇宙的演变,从大爆炸后的第一个分数开始。当时宇宙经历了一段时间的快速扩张,称为通货膨胀,其中宇宙在10时越来越快地变得如此迅速成为10次高尔夫球的大小−32 第二。在膨胀期间,宇宙中能量分布的微量量子波动变得宏观。能量密度更大的区域逐渐吸引了越来越多的物质,留下其他区域。在接下来的137亿年里,这些密集的斑点形成了我们今天观察到的星系的长丝,床单和簇。天文学家称这个过程结构的增长。

由于光和物质相互作用和影响结构形成,因此出现了BaO模式。宇宙包含两种物质:一个与光相互作用的物质—我们用于在日常生活中处理的常规材料—一个没有,一个叫做暗物质的人。在炎热和密集的早期宇宙中,普通物质颗粒和光颗粒(光子)彼此碰撞,因此它们基本上被粘在一起,而暗质物质可以自由独立移动。重力导致暗物质到浓密地区的中心,但是从轻微试图向外行驶的压力拖走了正常的问题。

当宇宙扩大并足够冷却时,普通爆炸后,普通物质和灯光在大爆炸后大约300万年来。粒子展开和光子可以自由行进。作为宇宙微波背景,在天空中仍然可见的第一释放光。一旦光和物质不再束缚,将过量的正常物质留在暗物质过度的球形壳中。重力向这些结构制定了正常的物质和暗物质,但该过程印记了由宇宙上的球形壳包围的过度致密核心的图案 ’问题。这种被称为Baryon声学振荡特征的图案,具有称为共同移动的声音地平线的尺寸,并且在我们的星系的地图中可见。

我们可以使用此功能作为我们所谓的标准统治者—一种衡量宇宙距离的方便方式。因为这些模式都是在几乎同时创建的,并且以相同的方式创建,所以核心和壳体都大致相同的内在尺寸—从壳体中大约5亿光年分隔每个核心​​。但是当我们在地图中看到这些形状时,它们取决于它们的距离小或更大。因此,如果我们在夜空中衡量他们的表观大小并将其与我们所知道的内在规模相比,我们可以确定距离地球的距离。

传播灯

这些标准统治者距离计算允许我们测量与一组星系的平均距离,但它们并不是自行提供宇宙学信息。为此,我们需要有关星系远离我们的速度的更多信息。 Sloan调查很好地提供了该信息。除了捕获天空中三分之一的深层图像外,斯隆瞄准了两百万的星系和Quasars(由亮中心黑洞主导的星系),通过光谱学,一种用于隔离来自物体的不同波长的光。这些光谱测量揭示了星系远离我们的速度如何,这取决于宇宙在发光的时间和观察到时的宇宙之间的扩展程度。因为这种扩展伸展波长,所以光变为红—一种称为红移的现象。

每个BOSS和eboss观察同时使用专用的光纤电缆同时从1,000个对象中捕获光谱。每个电缆的一端由位于望远镜的焦平面处的铝板支撑。准备一夜’S观察,团队在专用的盒式盒中制作了八个这些板,纤维用手插入1,000孔中的每一个。两个技术员工需要大约半个小时才能插一张单板。当我们观察到使用这些板块的103,000个光谱时,Sloan调查历史上最有生产力的月份是2012年3月。

我们从世界各地的望远镜获得的成像数据中选择了目标星系。技术人员在华盛顿大学使用计算机控制机钻孔钻孔,以便当望远镜指向一个小时的天空贴片时,每张小时曝光,每个孔内的纤维的末端完美地排列其目标星系或Quasar的中心。

每晚2009年12月和2019年3月之间的每晚月亮都没有过于明亮,望远镜追踪了一片天空,并且纤维喂入焦点飞机的光线成两种光谱仪。这些现代探测器相机数位测量光线’S强度作为波长的函数。通过这些数据,我们可以计算每个星系’s redshift.

在焦点及其前任老板收集数据的近10年内,我们测量了超过400万条星系的地点和红移。因为远距离星系的光需要很长时间才能到达望远镜,因此来自BOSS和Eboss的地图显示了110亿多年的宇宙学时间,涵盖了大部分宇宙的历史。

图形显示了天文学家如何使用Baryon声学振荡来创建最大的宇宙地图。
信用:乔治·雷塞;资料来源:Anand Raichoor瑞士联邦理工学院Lausanne / Lawrence Berkeley国家实验室(步骤4映射叠加)

探测黑能量

通过将我们的红移测量与来自Bao标准统治者的距离估计相结合,我们能够研究距离和红移之间的关系 —换句话说,宇宙在旅行的距离延伸和拉伸光线。这些信息显示了过去110亿年的空间扩张的扩大,让我们介绍了今天物理学中最大的谜题之一:黑能。

暗能是似乎正在加速宇宙扩张的神秘部队—1998年发现的令人惊讶的现象。最简单的暗能量的数学模型是所谓的宇宙常数,Lambda,Einstein的现场方程中的一个术语’■描述空间中的能量的综合相对论。这种能量可以充当排斥力,推动向内拉伸,以加速宇宙’向外扩张。在过去的20年里,这种宇宙学模型,称为Lambda冷暗物质(Lambda-CDM),在许多测试中存活;虽然我们完全理解它,但这是我们最好的模特。

然而,Lambda-CDM存在问题。最近的三个观察结果显示了暗示 模型与现实之间的嫌之索。首先是测量局部膨胀率的空间 与lambda-cdm预测不匹配 基于遥远宇宙的观察。其次,宇宙微波背景的观察表明空间可能比通过通胀理论预测的曲线略微弯曲。最后,通过中间物质的遥远星系的光的畸变似乎比Lambda-CDM模型中的预期较弱。时间将判断这些紧张局势是否是所需的新宇宙学模型的第一个标志,或者简单地反映了测量问题。无论哪种方式,eboss观察都有助于向我们指向正确的方向。

他们表明,例如,当宇宙为其当前尺寸的60%时,它们会发生过渡:空间的扩展停止减速并开始加速。这些发现与Lambda-CDM模型同意,这表明这一点是当暗能量赢得物质的引力效果时,从而减速膨胀率。

宇宙模型的另一部分是空间的几何形状。通货膨胀理论预测一个宇宙,其几何形状非常接近平坦。但是一些早期的宇宙背景研究表明,空间略微弯曲。使用Eboss地图,我们能够通过先前的观察结果提高空间几何测量的精度10。我们发现没有证据表明宇宙正在弯曲,推动标准通胀图片。

我们还可以通过查看结构迅速来测试宇宙模型—星系的集群和长丝—形成。我们在我们的调查中衡量的红移记录了与我们,观察者相对的星系的相对速度,但不是该运动的原因。由于宇宙的扩张,大多数红移都出现了—所有空间中的物品都彼此远离的事实—但它也是由结构的增长造成的。由于星系落入群集并远离空隙,它们的速度,因此它们的红移,改变。

Sloan Foundation 2.5米望远镜。
2000年,新墨西哥的斯隆基金会2.5米望远镜开始了斯隆数字天空调查’S二十年的映射努力。信用:Enrico Sacchetti 科学来源

当我们将沿着星系与星系的视线横跨视线横跨视线进行比较时,受结构增长影响的速度是显而易见的。红移空间扭曲的大小告诉我们结构生长的速率。使用来自Eboss及其前辈的数据,我们将此速度计算为约3.5%的精度。我们的结果与一般相对论的预测相匹配,这很重要,因为依赖于不同方法的几次测量值具有约10%的值。

总体而言,我们的测量没有证据表明标准宇宙模型与λ,宇宙常数,是错误的。我们认为结构增长没有惊喜,暗能量的性质或空间的几何形状。然而,我们确实看到了我们在基于来自本地宇宙的数据的空间扩展速率与来自宇宙微波背景的数据之间提到的相同差异。例如,基于后者的测量,找到67.28的扩展速率±每兆欧每秒0.61公里(空间中距离的测量),而超新星的局部测量导致价值增加10%。使用我们的BAO测量,我们估计大约67公里/ s / mpc的扩展率—当我们将我们的数字与宇宙背景数据结合时,当我们没有时,都是。这个价值与速率天文学家之间的差异只看他们只看附近的宇宙,就足够重要了,以质疑宇宙学模型的基本假设。在这些计算中饲养的一个或多个测量可能仍然存在问题,但是我们至少需要修改宇宙的早期扩展和共同移动的声音地平线的模型。我们可能需要介绍一种新的粒子,领域或互动,以解释我们看到的不和谐。

更大,更好

在过去的20年里,Sloan望远镜和光谱仪在表演Galaxy Redshift调查时,斯隆望远镜和频谱仪在eboss中引起了世界。 Sloan调查将继续使用新的星星和Quasars地图,我们的成功启发了天文学家,计划甚至更大的银河系调查,涵盖更广泛的宇宙历史。已经开始早期科学操作的一个这样的项目称为暗能谱仪(DESI)。该调查将在亚利桑那州的KITT山顶国家天文台上使用5,000纤维的多机器光谱仪,在亚利桑那州的KITT Peak National Meangetatory中创建一个更深层次和更密集的宇宙地图。新光谱仪能够同时观察5,000个目标,并定位在具有大约两倍的主镜的望远镜上,该望远镜大约是斯隆望远镜的两倍’s。 5,000纤维中的每一个而不是依赖人类,每个纤维都将被专用机器人放入位置。五年来,Desi将创造一个比斯隆大10倍以上的星系调查’s.

在2022年,由欧洲航天局领导的卫星使命欧元区推出,也将进行大型银河红扒媒体调查。利用其基于空间的视角来避免地球引入的模糊性’大气层,欧几里德会看看更高的红移—也就是说,更远的距离 —而不是从地面清楚地看到。它将衡量约2500万条星系的红移。除Desi和Euclid之外,计划还可以在更加普美,10米级望远镜上构建更大的多机器光谱仪,这应该在我们对宇宙的理解中实现重大的飞跃。