A project of the Dark Energy Survey collaboration

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神秘而错综复杂的宇宙网络:暗能量寻踪

DES0006-4123_20141218_00_gri_20141219_000.edit1.0_950px星海之下,有一个复杂的网络一直在窸窣缓慢地变动着。这一网络由暗黑,近乎不可感知,却又作用于整个宇宙的势力构建。星系成堆成簇,在团簇之间,又穿插了空旷贫瘠的空间。虽然每一个包含了上亿星星的星系都有自己独特的出生和演化故事,我们可不会因此一叶障目。作为一个整体,星系网络上的团簇和空洞可以帮助我们研究决定了宇宙地貌的暗黑势力。

 

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

斯隆数字巡天绘制的一直延伸到到20亿光年处的星系分布图。红色和绿色的点显示的是星系的位置,红色的点表示星系的密度较高。本图中完全为黑色的扇形是斯隆巡天没有观测的区域。 (另见SDSS fly-through.)

暗能量相机拍摄的照片(上图)里有无数天体,其中也包括了一些或蓝或红或黄的模糊斑迹,这些斑迹很多都是极为遥远的星系。这些星系也许看起来像是在宇宙中随机分布的。但是,通过在极大尺度上对它们进行定位,天文学家们发现星系的分布有一定的结构,虽然这些结构延伸的空间和时间要比上图中看到的大的大的多。右边由斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)制作的插图中展示的是几百万个星系的分布图。这些星系有时候聚集成团或延伸成线(有比较多的星系),有时候又规避出一个个的空洞(没有或只有很少的星系)。要知道,这些点线状的结构可以延伸几十亿光年——是地球到太阳距离的60万亿倍!

像所有优秀的侦探员一样,我们暗能量侦探是不会放弃对这种有组织有计划的事情追根溯源的。那么问题来了,这些相距几十光年的星系又是怎样形成我们今天所看到的巨大网络的呢?这一鬼斧神工的操盘手其实是我们熟悉的朋友(也可以说是敌人)—— 在地球上就可以感受得到的万有引力。

 

通过计算机模拟,天文学家们已经研究了引力如何在大距离上运作于星系之间。“千禧模拟”(Millennium Simulation) 和一些类似的模拟项目显示,随机分布的物质在引力的作用下会自然而然地形成团,线,和孔洞状结构。统计比较模拟结果和采集的数据(对许多星系的观测),我们发现两者结构的分布是一样的:引力的确影响了整个可见的宇宙,并促成了这些宏伟壮观的丝网状结构,这一网络又被称作“宇宙网络”(cosmic web)。

 

Millennium simulation: https://i2.wp.com/www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/seqB_063a_half.jpg

千禧模拟:较亮的区域物质和星系更为集中。 (另见 fly-through video).

那么问题又来了,这些东西和暗能量巡天项目(Dark Energy Survey)的侦探们有什么关系呢?其实,引力在搭建宇宙网络这件事情上有一个死敌,就是“暗能量”——那股导致宇宙加速膨胀的势力。宇宙加速膨胀的越快,星系们就需要移动更大的距离以形成团线结构。暗能量越多,引力牵引星系需要的时间就越长,宇宙网络的形成就越慢。若是没有暗能量,宇宙网络的形成便会很快。通过研究宇宙网络形成的快慢,我们可以探知暗能量的强弱以及它的强度是否随时间变化。

 

引力和暗能量的对立状况会反映到宇宙网络的演化史上,这是我们可以研究暗能量的关键。事实上,宇宙网络对确定暗能量是否存在也起到至关重要的作用。

 

大多数的天文学家都承认:宇宙加速膨胀的证据无可置疑。出于很多原因,加速的最可行释源是一种新的但不可见的力量,也即“暗”能量。第二可行的理论解释是引力定律有异常(尤其是爱因斯坦广义相对论)。既然物理和天文学家们已经无数次在地球上,太阳系甚至星系之间证实了爱因斯坦的理论,引力定律的异常只能表现在更大的尺度上。这一异常也可以导致宇宙表面上的加速膨胀,暗能量理论也就不需要了。

 

第二个假设如果成立,我们得重写上述关于宇宙网络的文案。也许引力没有暗能量这个敌人,它只是在几十亿光年的尺度上不如我们预料的那样有效。要想知道引力是不是在和暗能量打架,亦或是引力是否有异常,观测宇宙网络的性质并与其他测量宇宙加速膨胀的方法相结合, 是回答这一问题的关键。这一研究的任何结果(甚至可能有稀奇古怪的结果)都意味着我们对宇宙的认识有了重大进步!

 

五年间,暗能量巡天会拍摄几亿星系的美丽图片。我们的暗能量侦探们正在对这些星系谨慎定位,进而描绘我们的宇宙网络,以借此探究运作于整个网络背后的神秘力量。

 

作者:暗能量侦探 罗斯· 克罗森 , 芝加哥大学(Ross Crawthon, University of Chicago)

图片编辑:  暗能量侦探 马蒂· 墨菲 (Marty Murphy), 瑞达· 哈恩 (Hahn)

翻译:暗能量侦探 张Y(Y. Zhang)

翻译编辑:暗能量侦探 李T (T. Li)

 

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