宇宙最古老光线的微小扭曲揭示宇宙网更清晰的图像

▲在这幅图中，宇宙微波背景（CMB）光线的轨迹被称为纤维的我们肉眼不可见的结构弯曲，产生一种被称为弱引力透镜的效应。普朗克望远镜（左）观测到了这种效应。研究人员用计算机研究了CMB的这种弱引力透镜效应，制作了一张纤维分布图。版权归属： Siyu He, Shadab Alam, Wei Chen, and Planck/ESA

科学家解码了宇宙最早的光产生的图案中的暗弱扭曲，以对我们肉眼不可见的被称为纤维（filaments）的巨型管状结构进行成图。它们是将物质运送到星系团这样的节点的超级高速公路。包括美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室（伯克利实验室）以及加州大学伯克利分校研究人员在内的国际科研团队用复杂的图像识别技术分析了过去的巡天数据，通过基于引力的效应识别了这些纤维的形状。他们也使用纤维的模型和理论帮助指导和解释分析。

对纤维的详细解释发表在4月9日的《自然-天文学》杂志上，它将帮助研究者更好地理解宇宙网（cosmic web）的形成和演化。宇宙网是宇宙中的大尺度物质结构。

暗物质组成了纤维以及暗晕。研究者知道典型的纤维在数亿光年的范围内延伸、弯曲，而暗晕则为星系团提供了居所，并由普遍存在的纤维网络提供物质。对这些纤维的深入研究可以提供有关暗能量的新见解（暗能量是宇宙的另外一种神秘成分，造成了宇宙的加速膨胀）。

纤维的性质也可以用于检验引力理论，包括爱因斯坦的相对论，也可以提供解决预言中宇宙中可见物质的量与观测不符（“重子丢失问题”）的重要线索。

“通常研究者不直接研究这些纤维——他们观测星系，”伯克利实验室的资深科学家、领导此项研究的、卡耐基·梅隆大学副教授Shirley Ho说，“我们使用了与雅虎和谷歌用于图像识别的相同方法，就像识别街道标牌的名字或者在照片中寻找猫那样。”

▲不时期宇宙网中的纤维结构，从宇宙年龄123亿年（左）到宇宙年龄74亿年（右）。图片中的区域有7500平方度。最有可能的纤维用蓝色表示。其他可能的纤维结构用紫色、洋红和红色表示。版权归属： Yen-Chi Chen and Shirley Ho

这项研究使用了重子振荡光谱巡天（BOSS）的数据。这是一个地基的巡天项目，捕捉来自大约一百五十万个星系的光，以研究宇宙的膨胀和声波传播造成的宇宙中物质的分布，或称为“重子声波振荡”，这是早期宇宙中的涟漪。

研究者也依赖于对宇宙微波背景辐射精确的天基测量。微波背景是宇宙第一缕光近乎均匀的遗迹。这些光的特征在整个宇宙中都非常相似，在之前的巡天中已经对常规的涨落进行了成图。

在最新的研究中，研究者聚焦于微波背景辐射中的涨落。他们使用复杂的计算机算法通过微波背景辐射中的引力扭曲（称为弱引力透镜，由微波背景辐射光穿过物质产生）寻找纤维的迹象。

因为星系存在于宇宙中最密的区域，所以这些部分对宇宙微波背景辐射光线偏折的弱引力透镜信号最强。暗物质位于这些星系周围的暗晕中，也散布于纤维结构较密的区域中。

“我们知道这些纤维会导致微波背景辐射的偏折，也会产生可以测量的弱引力透镜信号，” 这项工作的第一作者、来自卡耐基·梅隆大学的博士研究人员Siyu He说。研究团队使用统计技术证认、比较这些“山脊”，或者说密度较高的点（理论告诉他们这表明会存在纤维结构）。

“我们不只是尝试连接这些点，我们试图找到这些密度的山脊，密度的局域极大点，"她说。他们用其他纤维和星系团数据或者基于观测和理论模拟的纤维检验了这些发现。例如，这个研究组在伯克利国家能源研究科学计算中心（NERSC）完成的大型宇宙学模拟检验了测量中的误差。

这些纤维和它们之间的连接在数亿年的时标上可以发生改变。引力和宇宙膨胀的相互竞争可以缩短或增长这些纤维。

“纤维是宇宙网的主要组成部分，尽管不清楚暗物质和纤维之间潜在的关系是什么，”这是这项研究的主要动机，这项研究的作者之一、加州大学伯克利分校的宇宙学物理中心的Miller博士后Simone Ferraro说。

来自已有项目以及下一代巡天（例如目前在亚利桑那州的基特峰国家天文台建造的伯克利实验室领导的暗能量光谱设备，DESI）将提供这些纤维的更细致的数据，他补充说。

研究人员指出，调查纤维的形状和位置对于证认纤维中有什么类型的气体，确定这些气体的温度以及粒子怎么进入纤维的机制也是有用的。这项研究也使得他们可以确定纤维的长度。

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  编译：钱磊  审稿：西莫  编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-04-tiny-distortions-universe-oldest-reveal.html#jCp