微小的扭曲在宇宙网上展现更清晰的链子图片

在这幅图中,宇宙微波背景(CMB)光线的轨迹被称为细丝的结构弯曲,这种结构在我们的眼睛中是看不见的,产生了一种称为弱透镜的效果,这是由普朗克卫星(左),一个空间天文台捕获的。研究人员使用计算机研究CMB的这种微弱透镜,并生成一个长度一般为数百光年的细丝图。 (来源:Siyu He,Shadab Alam,Wei Chen和Planck / ESA)

科学家已经解释了宇宙最早光线模式中微弱的扭曲,以映射我们眼睛看不到的巨大的管状结构 - 称为细丝 - 它们用作将物质输送到密集的星系如星系团等的高速公路。

包括来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员在内的国际科学团队使用先进的图像识别技术分析过去的天空调查数据,以了解识别形状的基于重力的效应这些细丝。他们还使用关于细丝的模型和理论来帮助指导和解释他们的分析。

4月9日发表在“自然天文学”杂志上,细丝的详细研究将有助于研究人员更好地了解宇宙网络的形成和演变 - 宇宙中物质的大规模结构 - 包括神秘的,看不见的暗物质占宇宙总质量的85%左右。


em(视频)宇宙网络的可视化:处女座联盟的这种称为千年模拟的计算机化模拟,展示了由星系和周围暗物质组成的宇宙中的网状结构。 (Credit:Millennium Simulation Project) / em

暗物质构成了细丝 - 研究人员通常会在数亿光年中学会拉伸和弯曲 - 而所谓的晕星是由通用细丝网络馈送的。对这些细丝的更多研究可以提供有关暗能量的新见解,这是推动其加速扩张的另一个宇宙之谜。

灯丝的特性也可以将重力理论应用到测试中,包括爱因斯坦的广义相对论,并提供重要的线索来帮助解决宇宙中预测存在的可见物质量的明显不匹配 - “失重子问题”。

“通常研究人员并不直接研究这些细丝 - 他们在观察中观察星系,”伯克利实验室的高级科学家Shirley Ho和卡耐基梅隆大学物理学副教授Cooper-Siegel领导这项研究。 “我们使用相同的方法来查找雅虎和Google用于图像识别的细丝,如识别路牌的名称或在照片中查找猫。”

宇宙网中的细丝结构显示在不同的时间段,从宇宙年龄为123亿年到宇宙年龄为74亿年时。动画中的区域跨越7,500平方度的空间。以蓝色表示的丝状结构的证据最为强烈。其他可能的灯丝结构是阴影紫色,洋红色和红色。 (Credit:Yen-Chi Chen和Shirley Ho)

这项研究使用重子振荡光谱测量(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)或BOSS的数据,这是一种基于地球的天空调查,该调查捕获约150万个星系的光,以研究宇宙的膨胀和宇宙中由声音传播引起的图案分布波浪或“重子声波振荡”,在早期的宇宙中荡漾。

伯克利实验室科学家担任重要角色的BOSS调查小组编制了一份可能的细丝结构目录,这些细丝结构连接了研究人员在最新研究中得出的物质簇。

研究人员还依赖于对宇宙微波背景或CMB的精确的基于空间的测量,这是来自宇宙第一盏灯的接近均匀的剩余信号。尽管整个宇宙中这种光线特征非常相似,但在以前的调查中有规律的波动。

在最新的研究中,研究人员专注于CMB的模式波动。他们使用复杂的计算机算法,寻找CMB中基于重力失真的细丝印记,称为弱光透镜效应,这是由CMB光通过物质引起的。

由于星系生活在宇宙中最密集的区域,因此来自CMB光偏转的微弱透镜信号在这些部分中最强。暗物质存在于这些星系周围的晕圈中,并且也被称为从细丝那些密集区域扩散。

“我们知道这些细丝还应该引起CMB的偏转,并且还会产生可测量的弱引力透镜信号,”该研究的主要作者Siyu He说,他是博士生。来自卡内基梅隆大学的研究员 - 她现在在伯克利实验室,并且也隶属于加州大学伯克利分校。研究团队使用统计技术来识别和比较“脊”,或理论告诉他们会指出细丝存在的密度较高的点。

“我们不只是试图”连接点“ - 我们试图在密度中找到这些脊,密度是局部最大点,”她说。他们使用其他灯丝和星系团数据以及基于观测和理论的“模拟”或模拟灯丝检查了他们的发现。例如,该团队使用伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)生成的大型宇宙模拟来检查其测量中的错误。

细丝及其连接可以在数亿年的时间范围内改变形状和连接。重力拉力和宇宙膨胀的竞争力可以缩短或延长细丝。

“研究的作者之一西蒙娜费拉罗说,”细丝是宇宙网的不可分割的一部分,尽管目前还不清楚底层暗物质和细丝之间的关系是什么,“这是研究的主要动机。米勒博士后加州大学伯克利分校宇宙物理中心。

他补充说,来自现有实验的新数据和下一代天空调查,例如亚利桑那州基特峰国家天文台正在建设的伯克利实验室主导的暗能量分光仪(DESI)应提供更详细的数据。

研究人员指出,探查细丝形状和位置的这一重要步骤对于重点研究也是有用的,这些研究旨在确定哪些类型的气体存在于细丝中,这些气体的温度以及颗粒如何进入和移动的机制细丝。该研究还允许他们确定长丝的长度。

“他说,解析细丝结构也可以提供细丝周围空间空隙的性质和内容的线索,”帮助修改广义相对论的其他理论“,她说。

何补充说:“我们也可以使用这些细丝来约束暗能量 - 它们的长度和宽度可能会告诉我们关于暗能量参数的一些事情。”

爱丁堡大学研究员Shadab Alam和英国爱丁堡皇家天文台的研究人员。华盛顿大学的助理教授Yen-Chi Chen也参加了这项研究。这项工作得到了美国能源部科学办公室,美国国家航空航天局,国家科学基金会,欧洲研究委员会和加州大学伯克利分校米勒基础科学研究所的支持。

NERSC是DOE科学用户设施办公室。

出版物:Siyu He等人,“探测宇宙微波背景透镜上的细丝印迹”,Nature Astronomy(2018)doi:10.1038 / s41550-018-0426-z