暗能量的多重探測

(中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Nikhil Padmanabhan. Physics，May 1，2019)

研究導致宇宙加速膨脹的暗能量是當今宇宙學最重要的任務之一。物理學家通過對更廣大的宇宙進行研究，對暗能量的性質做出限制。如今暗能量巡天(DES)用四種觀測量作為探針：超新星、重子聲學振蕩、引力透鏡和星系群集。多探針方法可使未來的研究將限制改進幾個數量級，并可能破解暗能量之謎。

有兩種暗能量測量方法。第一種是宇宙的幾何膨脹。包括對超新星和重子聲學振蕩(BAO)的觀測。Ia 型超新星可用作“標準光源”，其已知的亮度可使天文學家估計它們離地球的距離。BAO也與空間距離有關，可用作標度宇宙長度的“標準尺”。其長度可根據宇宙微波背景(CMB)的測量估計。通過觀測不同時間BAO尺的角大小，能夠直接測量宇宙幾何背景的膨脹。

第二種測量方法考慮暗能量對可見的以及暗的宇宙結構增長速率的影響。加速膨脹使得宇宙結構增長減緩。這種減緩可用觀測物質的分布來表征。DES 通過弱透鏡效應——由于前景物質的引力透鏡效應引起的背景星系形狀的輕微扭曲——追蹤物質的分布。從這種扭曲可對前景物質(主要是暗物質)加以推測。由于弱透鏡效應微弱，測量很困難而且易受觀測系統誤差的影響。

另外一種測量結構增長減緩的方法是，通過測出可見星系位置的分布來描繪出物質的分布。測量星系的距離需要通過光譜學方法確定星系的紅移。DES 不具有高分辨光譜學性能，但可通過五種光譜濾鏡獲得低分辨光譜。距離的誤差使三維結構變模糊，然而所得到的分布圖仍是引力結構的有效的探針。因為我們不清楚暗物質是如何相對于可見星系分布的，所以應用有限。

暗能量巡天5 年研究中所觀測的天空區域。不同顏色表示不同的觀測輪次

DES 合作組開發了一種基于與可見星系分布相關聯的弱透鏡效應技術，可以得到較高信噪比的星系圖。DES 合作組利用位于智利的美洲際天文臺的布蘭科望遠鏡，對大面積的南方天空造影，首次將四種暗能量探針結合起來分析。得到對暗物質與暗能量的宇宙密度的獨立限制。顯示了一次巡天中多探針方法的可行性及優越性。首先，所有探針是在單次巡天中得到的，對多個探針的標度與系統誤差可以自洽地處理。其次，可以采用一種減少觀察者偏見的分析方法。最后，四種探針同時表征，可以使巡天進行關聯分析。

DES 多探針的分析結果對于今后暗能量的研究非常有用。在這項工作中分析的數據只是DES已獲取的全部數據中的一部分。最終的數據將有3 倍多的弱透鏡效應和星系集聚測量數據，并包括10 倍多的超新星數據。統計上，對當前所給出的限制將有2—4 倍的改進。隨著限制縮緊，不同觀測量間的差別加劇，將給出現有的宇宙模型失敗的信號。已發現哈勃常數的局部測量與CMB 和BAO 推導出的值不一致，以及CMB與弱透鏡效應所揭示的結構數量上的矛盾。DES 的完整分析可能有助于解決這些矛盾，但也可能使矛盾加劇。

長遠來看，我們可以期待一些正在進行的巡天，以及計劃中的下一年代更大規模的巡天結果。其中包括類似DES的光度測定巡天(如千平方度巡天、超級相機和大型綜合巡天望遠鏡巡天)，光譜學巡天(擴展的重子振蕩光譜學巡天和計劃中的4 米多目標光譜學望遠鏡和暗能量光譜學儀器巡天)，兩個將光度與光譜觀測結合的衛星實驗(歐幾里得望遠鏡和廣域紅外線巡天望遠鏡)，CMB測量(西蒙斯天文臺和第四階段CMB實驗)，和使用新探針，如21 cm 氫譜線和引力波巡天。項目的廣度確保對誘人的宇宙學問題的探索。

更多內容詳見T. M. C. Abbottet al. Phys. Rev. Lett.， 2019， 122：171301。