天體物理學家利用扭曲的星系繪製了看不見的宇宙地圖

2013 年至 2019 年間，暗能量巡天 (DES) 使用智利托洛洛山美洲天文台 4 米布蘭科望遠鏡上的暗能量相機 (DECam) 收集了觀測結果。在此期間，DES 測量併校準了 5,000 平方度（約八分之一）天空中超過 1.5 億個星系的形狀。這些對星系形狀的測量有助於科學家改進對質量在整個宇宙中的分佈以及暗能量行為的估計。

DES 還在最近的一個大難題 Lambda-CDM (LCDM) 模型（用於描述宇宙的標準框架）中發揮了作用。一些使用 DES 等星系調查對附近宇宙進行的研究似乎與基於早期宇宙的預測不一致，早期宇宙是從宇宙微波背景 (CMB)（大爆炸留下的輻射）推斷出來的。

儘管 DECam 是為了支持 DES 而構建的，但它也收集了主要 DES 足蹟之外的許多圖像。在《開放天體物理學雜誌》上發表的一篇新論文中，芝加哥大學天體物理學家利用這些額外的觀測結果，將具有測量形狀的星係數量幾乎增加了一倍，添加了來自 DES 區域之外數千平方度的數據。由於這些圖像最初並非針對弱透鏡而導出，因此擴展數據集提供了一種獨立的方法來重新確認先前的 LCDM 不一致之處。

弱引力透鏡效應以及為什麼星系形狀很重要

當質量使光彎曲時，就會發生引力透鏡效應，它是研究質量在宇宙中的位置的最有力的工具之一。天文學和天體物理學副教授、暗能量相機全數據無處不在（DECADE）弱透鏡宇宙剪切項目主任 Chihway Chang 表示，這包括普通物質和暗物質，也可能揭示暗能量的作用。

在弱引力透鏡作用下，星係不會出現明顯的延伸。相反，它們的形狀顯得稍微扭曲（被切斷），因為它們的光在到達地球的途中穿過並繞過物質。該信號非常小，因此研究人員依靠統計方法來檢測它。

天文學和天體物理學博士生、DECADE 工作組首席分析師兼第一作者 Dhayaa Anbajagane 表示：“弱透鏡測量是探測物質‘數量’的最佳方法。” “量化這種空虛可以揭示星系和星系團等結構的起源和演化。這與測量居住在一個地區的人（物質）的分佈大致相同，並利用它來了解諸如景觀地形或城市中心的位置或年齡等特徵（影響結構起源和演化的因素）”。

測量星系距離並測試宇宙學標準模型

在 DECADE 工作中，研究人員測量了超過 1 億個星系的形狀。他們還通過觀察每個星系的光紅移（紅移）程度來計算這些星系的距離。這種變化表明星系遠離地球的速度有多快，可用於計算其與地球的距離。

掌握了星系的形狀和距離後，研究小組將 LCDM 模型與觀測結果進行了擬合。 LCDM 是一種廣泛使用的宇宙學模型，包括暗能量、暗物質、普通物質、中微子和輻射。 “這是一個經過充分測試的模型，在過去十年中經受住了無數次審查，我們的數據點將補充這個故事，”張說。

DECADE結果表明，宇宙結構的增長與LCDM的預測一致，與之前的弱透鏡研究一致。 “此外，當我們將我們的極限與從早期宇宙宇宙微波背景中導出和推斷的極限進行比較時，我們非常一致，”張說。 “最後一點在過去五年裡一直是爭論的焦點，根據我們的新結果，我們可以說我們沒有看到弱透鏡效應和宇宙微波背景之間的緊張關係。”

Anbajagane 說：“我們能夠將年代際透鏡測量與 DES 的測量相結合，從而進行星系透鏡分析，該分析使用迄今為止覆蓋天空最寬部分（13,000 平方度）的最大數量的星系（2.7 億）。” “鑑於如此大量的數據，我們可以在分析中做出特別保守的選擇，例如僅進行或使用我們最有信心的測量結果，而不是所有有用或可能的測量結果，並且仍然進行足夠精確的測量，以便為我們與 CMB 的比較提供有意義的信息。”

根據檔案望遠鏡圖像進行的非常規調查

DECADE 使用與 DES 不同但規模相當的天空斑塊，對弱透鏡結果是否與基於 CMB 的預期一致進行了獨立檢查。領導十年觀測活動的費米實驗室科學家、芝加哥大學天文學和天體物理學副教授亞歷克斯·德利卡-瓦格納指出，從一開始就不能保證成功。 “目前尚不清楚 DECADE 數據集的質量是否足以進行宇宙學分析，但我們已經證明它可以提供可靠的結果，”他說。

Anbajagane 解釋說，該項目的一個顯著特點是對圖像質量進行決策。傳統的弱鏡頭調查多年來收集了大約十萬張專門構建的圖像，許多幀在不符合嚴格標準時被丟棄。 “DECADE項目的獨特之處在於它重新利用了檔案數據——天文學界最初為許多科學目的拍攝的圖像，從研究矮星係到遙遠的星團——並使用了更寬鬆的圖像質量標準。我們的工作表明，即使沒有成像活動也可以進行強大的透鏡分析，”他說。

這種方法可能會影響研究人員如何處理未來的弱透鏡研究，包括基於 Vera C. Rubin 時空遺產調查 (Rubin LSST) 的工作。使用更大比例的可用圖像可以提高宇宙學測量的準確性。該團隊使用檔案圖像的能力還取決於由物理學博士 Chin Yi Tan 領導的對圖像的仔細檢查。

大規模公共星系目錄和全球協作

與 DES 相結合，最終目錄覆蓋了三分之一的天空（13,000 平方度），並包括 2.7 億個星系。該目錄於今年秋天向科學界發布，研究人員已經開始使用這些圖像進行其他研究，包括矮星系的研究和宇宙質量的新地圖。安巴賈加內說：“我們正在積極與卡維利宇宙物理研究所的專家合作，將其他分析方法應用於我們的數據。”

DECADE 分析匯集了來自 UIUC、芝加哥大學、費米實驗室和 NCSA 的科學家，以及來自阿貢、威斯康辛大學麥迪遜分校和世界各地許多其他機構的合作者。 “將所有這些不同的組件放在走廊上是非常特別的，”張說。 “這也給了我們互相學習的機會，這個項目的結果是出乎意料卻又美妙的。”