迄今最精确的宇宙地图

暗能量巡天（Dark Energy Survey，DES）团队发布了最新成果。研究利用了一片巨大天空区域中有史以来最大的星系样本，对宇宙的组成和变化进行了迄今为止最精确的测量。科学家发现，大体上来说，物质在整个宇宙中的分布方式与目前最好的宇宙模型——宇宙学标准模型的预测是一致的。同时，研究也获得了一些有趣的新发现，有待进一步探索。

我们都知道，常规物质只占宇宙的5%左右，剩余的95%都是“未知”。宇宙学家假设，暗能量通过抵消引力来驱动宇宙加速膨胀，大约占宇宙总能量和总物质的69%。剩下的一部分被称为暗物质，它的引力影响能将星系聚在一起。

为了量化暗物质的分布和暗能量的影响，DES依赖两种主要现象。首先，在大尺度上，星系并非随机分布在整个空间中，而是由于暗物质的引力形成一种网状结构。

DES测量了这个“宇宙网”在宇宙历史上是如何演化的。其次，DES通过弱引力透镜探测暗物质的特征。在6年时间里，DES使用智利托洛洛山美洲天文台维克托·M. 布兰科望远镜上的暗能量相机拍摄了夜空。它在758个夜晚的观测中调查了5000平方度，差不多是整个天空的八分之一，并记录下了数亿个天体。

近期公布的结果利用了整个项目中头三年的数据，这里包含345个夜晚观测的2.26亿个星系，从而绘制出了迄今最大、最精确的相对近代星系的分布图。分析DES收集到的大量数据是一项极为艰巨的任务。团队最初从第一年的数据着手。这个过程让研究人员积累了经验，为后来利用更复杂的技术分析更大的数据集做好了准备。这些分析都非常前沿，需要人工智能和高性能的计算。

通过对一亿个较远星系的形状的弱引力透镜研究，科学家绘制出了一幅非常精确的星系与暗物质地图。

除了分析弱引力透镜的信号外，DES还精确地测量了其他“探针”，它们都以独立的方式约束着宇宙学模型，比如更大尺度上的星系聚集（重子声学振荡）、大质量星系团的频率，以及对Ia型超新星亮度和红移的高精度测量。这些额外的测量与弱引力透镜分析结合，将对宇宙学标准模型产生更严格的约束。

为了测试目前的宇宙模型，DES科学家将他们的结果与欧洲航天局（ESA）普朗克天文台的测量结果进行了比较。普朗克利用的是被称为宇宙微波背景（CMB）的光信号，它能回溯到大爆炸40万年后的早期宇宙。普朗克的数据给出了130亿年前宇宙的精确视图，而宇宙学标准模型则预测了暗物质至今的演化。如果DES的观测结果与这种预测不符，那么宇宙可能存在着一个尚未被发现的方面。

一个有趣的结果是，无论是DES，还是先前其他一些弱引力透镜项目，包括超广角主焦点照相机巡天（HSC）和千平方度巡天（KiDS）项目，它们的结果都暗示，当前的宇宙比预测的要更“平滑”，引力透镜效应比预期的更小一些，换句话说，暗物质的聚集程度更低。科学家均表示，这是一个值得进一步研究的发现。但考虑到实验不确定性等因素，团队仍认为，大体上来说，DES的观测结果与宇宙学标准模型的预测是一致的。

由于DES研究了附近以及数十亿光年之外的星系，它的地图既提供了当前宇宙大尺度结构的快照，也能够提供过去70亿年中这种结构如何演变的“电影”。DES已于2019年完成了对夜空的观测。凭借对前半部分数据的分析得到的经验，团队目前正准备处理完整的数据集。DES的最终分析有望描绘出宇宙中暗物质和暗能量的更为精确的图景，他们发展出的新方法也为未来探索宇宙奥秘铺平了道路。