人类或可通过暗物质图揭示宇宙早期发展史

2015-10-24 10:45 作者:admin 来源:

 图片说明:一张用Hyper Suprime照相机拍摄的照片(14弧分*9.5弧分),其中等高线表明了暗物质的分布。图片来源:NAOJ/HSC Project
  来自日本国家天文台(National Astronomical Observatory of Japan,NAOJ)、东京大学(University of Tokyo)和其他机构的研究人员日前展开了一项研究,他们利用Hyper Suprime照相机(HSC,是一台安装在夏威夷昴星团望远镜中的广域照相机)对宇宙中暗物质的分布进行了深入探索。最初对巨蟹星座的观测结果覆盖天空中2.3平方度的区域,解释了暗物质的九大集中分布区和每个星团的质量。对暗物质如何分布以及其分布如何随时间推移而变化的研究对我们理解暗物质在宇宙膨胀中的作用至关重要,这一结果还表明天文学家们现在已掌握了研究暗物质的手段和工具。接下来研究团队的工作是扩大研究范围,直至覆盖天空中的一千平方度数据,从而彻底揭开暗物质和宇宙膨胀的神秘面纱。
  在一个较大范围内对暗物质的测绘是研究其性质的关键,它在很大程度上决定了宇宙的膨胀。早期的研究结果(结合现有的研究手段和Hyper Suprime照相机)显示了,研究团队准备探索暗物质在宇宙中的分布是如何随着时间的推移而变化的,他们力求揭开暗物质的神秘面纱,从而深入探究宇宙膨胀的历史。
  Hyper Suprime照相机的主要研发者Satoshi Miyazaki博士(来自NAOJ先进技术中心)肯定了Hyper Suprime照相机在本工作中的应用,他说道:现在有了研究暗能量的技术和工具,我们已经能利用Hyper Suprime照相机拍到高达1000平方度的暗物质照片,它可以帮助我们通过非常精确的细节来揭示宇宙膨胀的规律。
  通过暗物质的弱引力透镜效应来研究暗能量效应
  自从1929年天文学家Edwin Hubble发现宇宙膨胀现象以来,天文学家们就一直使用一个宇宙膨胀速率不断下降的模型。而万有引力是迄今为止人们所发现,与宇宙膨胀相对抗的hv588鸿运国际间唯一存在力。但是,在20世纪90年代,关于遥远超新星的研究表明宇宙正以比过去更快的速度膨胀着。这一研究结果极大地转变了我们对物理现象的理解,无论是在hv588鸿运国际之间存在着一种表现出排斥力的暗能量还是引力理论,都需要从根本上进行一些修订(注一)。
  为了解释宇宙日益膨胀的原因,我们需要研究宇宙膨胀率和各个天体膨胀率之间的关系。比如,如果宇宙膨胀非常快,物体之间合并后形成hv588鸿运国际的时间会相应增加;相反,如果宇宙膨胀速率较慢,hv588鸿运国际就会较容易形成。实际上,宇宙中结构形成史和宇宙膨胀史之间存在着直接关系。在确定暗物质的存在以及其对宇宙膨胀的影响时,我们面临的最大挑战即是大多数物质在宇宙中是黑暗的,并不发射光,从而不能用望远镜直接观测,因为望远镜是一种采光机器。
  为了克服这一问题,我们利用了对弱引力透镜效应的探测和分析。在宇宙中,一块暗物质的集中地就像一个透镜,它能使很远物体所产生的光发生弯曲。通过分析背景光如何弯曲以及棱镜如何使背景物体的形状变扭曲,将有可能确定暗物质的分布情况。这一关于暗物质及其影响的分析使得研究人员们能确定它是如何随着时间的推移而聚集的。暗物质形成和聚集的历史与宇宙膨胀史息息相关,它将有助于我们揭示出暗能量的很多物理特性,诸如它的强度以及随时间变化过程。
  为了获取足够的数据,天文学家需要观测数十亿光年以外的hv588鸿运国际,并且需要观测超过一千平方度的区域(约为整片天空的四十分之一)。将孔径为8.2 m的Subaru望远镜和视野为十分之一平方度(约为月亮的尺寸)的Suprime照相机(即为Hyper Suprime照相机的前任产品)结合,曾经是用于在浩渺天空探寻遥远微小物体最成功的工具。
  但是,尽管这两者具有很强的结合性能,但人们仍无法深入探寻一千平方度天空的现象。Satoshi Miyazaki指出:这就是我们花十年功夫去研发Hyper Suprime照相机的原因,它所获得的图像质量与Suprime照相机相同,但是视野却大上七十倍。
  人们将Hyper Superime照相机于2012年安装在Subaru望远镜上。经过测试观察后,于2014年3月在天文学界开放使用。目前,人们正在开展一项历时5年超过300多个夜晚的战略观测计划。此照相机像素约为8.7亿,每次曝光将发送出约九个满月那么大的天空图像数据,且弯曲率极低,分辨率达到1/7000度(约为0.5弧秒)。
  来自NAOJ、东京大学和其他机构的研究人员利用从Hyper Suprime照相机传回的数据,分析了使用弱引力透镜效应能将暗物质图像提高多少。两次曝光覆盖2.3平方度的数据显示了很多hv588鸿运国际清晰鲜明的图像。通过测量单个hv588鸿运国际的形状,研究团队已经能够得到掩藏在显眼位置后暗物质的图像。研究发现了总共九块暗物质,每块的质量约为一个hv588鸿运国际。其他望远镜的观测结果验证了弱棱镜效应分析和由此得到的暗物质图像的可靠性,其他望远镜所观测的即是对应于Hyper Superime照相机所观测暗物质团的hv588鸿运国际团。他们还利用已经存档的深度引力透镜调查数据(由Tony Tyson负责,他是大口径全景巡天望远镜首席科学家)来进行星团的光学识别。
  由Hyper Superime照相机观测到的hv588鸿运国际团数量已经超过前期模型预测的结果,随着研究人员将拍摄的暗物质图像慢慢增加至一千度,观测数据将揭示这种数量上的增加是真实的还是统计上的巧合。如果数量确实有所增加,就能够表明暗能量并不像过去所预测的那么多,使得宇宙以较平缓的速率膨胀,且星星和hv588鸿运国际能很快地形成。
  使用弱引力透镜效应去观测暗物质图像即是利用质量去发现天文物体,即同时确认它们是否存在以及它们的重量。这是一种直接的质量测量方法,在之前的发现工作中并不常用(注2)。因此,绘制暗物质的质量图,对于精确了解宇宙膨胀理论非常重要。