为了揭开宇宙中“两朵乌云”的秘密,人类已经开始第四代的巡天项目。这些设备包括即将在2023年7月发射的欧空局欧几里得卫星,计划在2024年夏天开始观测的美国LSST巡天,中国计划在2024年左右发射的“巡天”空间望远镜。第四代的巡天设备相较于第三代有着质的飞跃,数据质量将提高至少一个量级,并有望最终揭开暗能量的神秘面纱。
宇宙是如何诞生的?它的结构是什么?它的最终命运又如何?几千年以来,人类一直被这些最基本的问题深深吸引着。从中国古代的“天圆地方”学说到近代宇宙学的“宇宙大爆炸标准模型”,我们对宇宙的认知经历了多次变革。然而,仍有许多问题暂未得到解答,特别是涉及到宇宙绝大部分质能的两朵神秘“乌云”:暗物质和暗能量。
近代的天文学观测发现,我们平常所见的普通物质仅占宇宙总质能的5%,而绝大部分的物质(占27%的宇宙质能)无法被直接观测到。我们只能通过引力效应间接探测到它们的存在,但是对于它们的本质知之甚少,因此将它们统称为“暗物质”。此外,还有剩余的68%的质能以一种更加神秘的形式存在。我们甚至不知道它们是不是物质,我们只知道它们驱动着宇宙的加速膨胀,因此称它们为“暗能量”。
现代宇宙学研究的核心目标就是揭开这两朵“乌云”的神秘面纱。
根据广义相对论,当遥远天体发出的光穿过大质量物体的引力场时,比如星系或星系团,光线会发生偏折弯曲,导致遥远天体在地球上的观测者看来出现畸变,拉伸或放大的效果。这种现象被称为“引力透镜效应”。通过研究遥远天体光线的引力透镜效应,我们可以推断前景物体内的物质分布,包括其中的暗物质。
为了揭开宇宙中“两朵乌云”的秘密,人类已经开始第四代的巡天项目。这些设备包括即将在2023年7月发射的欧空局欧几里得卫星,计划在2024年夏天开始观测的美国LSST巡天,中国计划在2024年左右发射的“巡天”空间望远镜。第四代的巡天设备相较于第三代有着质的飞跃,数据质量将提高至少一个量级,并有望最终揭开暗能量的神秘面纱。
目前,KiDS已经完成了它所有的巡天目标,相应的数据处理正在持续进行中。随着数据处理的进展,KiDS也不断更新着它对宇宙学参数的限制结果。最新的KiDS分析结果已经使用了超过1000平方度的数据,涵盖了全部数据的三分之二以上。对于宇宙中物质密度涨落的限制已经达到了与Planck卫星的宇宙微波背景辐射结果相当的精度。
宇宙中物质密度的涨落,即宇宙大尺度结构上的聚集程度,在宇宙学上通常用一个叫做S8的参数来描述。通过前面提到的宇宙切变分析,我们可以对该参数做精确的限制。此外,通过假设相应的宇宙学模型,我们也可以用宇宙微波背景辐射的观测结果来预测S8的值。这一假设过程是必须的,因为宇宙微波背景辐射的观测只提供了早期宇宙的初始条件,只有通过相应的宇宙学模型,我们才可以推断出宇宙后期的结构演化从而给出S8的预测。
有趣的是,这两种方法所得到的S8值并不完全一致,这被称为“S8冲突”。这个差异虽小,但已足以让研究人员思考是什么导致了结果上的不同,是观测数据的处理有问题,还是目前的宇宙学模型并非完美?
值得一提的是,KiDS的结果被最新的DES巡天结果所验证。由于这两个巡天项目有着各自不同的观测数据和相对独立的数据处理和分析方法,它们结果上的一致恰恰证实了宇宙切变在技术上的可靠性。
因此,“S8冲突”并不能被单个项目的偶然性所解释。其只能归因于我们对于宇宙切变或者宇宙微波背景辐射观测和分析方面的系统性偏差,或者是我们假设的宇宙学模型存在瑕疵。后者显然是理论学家们最为期待的,因为一旦证实,这将是对我们现有物理学认知的极大挑战。
虽然当前的大视场成像巡天在有关宇宙物质分布方面的研究已有了不错的结果,但其数据质量尚不足以完全约束与暗能量相关的参数。
利用宇宙切变进行宇宙结构的层析摄像的潜力仍有待进一步挖掘。幸运的是,我们现在正处于第四代巡天即将上线的年代。这包括即将在今年(2023年)七月发射的欧空局欧几里得卫星,计划明年(2024年)夏天开始观测的美国LSST巡天。另外,中国也在该领域积极追赶,并有望在明年(2024年)发射“巡天”空间望远镜。这些第四代的巡天设备相较于第三代巡天有着质的飞跃。
数据质量将提高至少一个量级,并有望最终揭开暗能量的神秘面纱。