看到這么久之前發(fā)生的事情是具有挑戰(zhàn)性的。由于光速是有限的，我們看到的遙遠(yuǎn)的星系不是它們今天的樣子，而是它們?cè)跀?shù)十億年前的樣子。但更困難的是觀察暗物質(zhì)--因?yàn)樗话l(fā)光。

(相關(guān)資料圖)

考慮一個(gè)遙遠(yuǎn)的源星系，甚至比目標(biāo)星系更遠(yuǎn)，而我們想研究的是目標(biāo)星系的暗物質(zhì)。正如愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣，前景星系的引力--包括其暗物質(zhì)--扭曲了周?chē)目臻g和時(shí)間。當(dāng)來(lái)自源星系的光穿過(guò)這種扭曲的時(shí)空時(shí)，它就會(huì)彎曲并改變星系的表面形狀。暗物質(zhì)的數(shù)量越多，產(chǎn)生的扭曲就越大。因此，天文學(xué)家可以從扭曲中測(cè)量前景星系周?chē)滴镔|(zhì)的數(shù)量。

然而超過(guò)一定的閾值，科學(xué)家就會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題。在宇宙的最深處，星系是非常微弱的。因此，我們看的離地球越遠(yuǎn)，引力透鏡技術(shù)的效果就越差。因?yàn)橥哥R的扭曲很微妙，在大多數(shù)情況下很難發(fā)現(xiàn)，所以需要許多背景星系來(lái)檢測(cè)信號(hào)。

以前的大多數(shù)研究都停留在相同的極限。由于無(wú)法探測(cè)到足夠遙遠(yuǎn)的源星系來(lái)測(cè)量失真，他們只能分析不超過(guò)80-100億年前的暗物質(zhì)。這些限制使得從這個(gè)時(shí)間到137億年前，也就是我們的宇宙開(kāi)始前后的暗物質(zhì)的分布問(wèn)題沒(méi)有得到解決。

為了克服這些挑戰(zhàn)，從宇宙的最遠(yuǎn)處觀察暗物質(zhì)，由名古屋大學(xué)的Hironao Miyatake領(lǐng)導(dǎo)的研究小組跟東京大學(xué)、日本國(guó)家天文臺(tái)和普林斯頓大學(xué)合作使用了不同的背景光源，即大爆炸本身釋放的微波。

首先，該小組通過(guò)利用斯巴魯超級(jí)超光速相機(jī)調(diào)查(HSC)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用可見(jiàn)光確定了150萬(wàn)個(gè)透鏡星系，這些星系被選為120億年前的星系。

接下來(lái)，為了克服更遠(yuǎn)處的星系光的缺乏，他們采用了來(lái)自宇宙微波背景(CMB)的微波，即大爆炸的輻射殘留物。通過(guò)利用ESA普朗克衛(wèi)星觀測(cè)到的微波，該小組測(cè)量了透鏡星系周?chē)陌滴镔|(zhì)是如何扭曲微波的。

“看看遙遠(yuǎn)星系周?chē)陌滴镔|(zhì)？”東京大學(xué)的Masami Ouchi教授問(wèn)道，“這是個(gè)瘋狂的想法。沒(méi)有人意識(shí)到我們可以做到這一點(diǎn)。但在我做了一個(gè)關(guān)于大型遙遠(yuǎn)星系樣本的演講之后，Hironao來(lái)找我，說(shuō)也許可以用CMB來(lái)觀察這些星系周?chē)陌滴镔|(zhì)。”

“大多數(shù)研究人員使用源星系來(lái)測(cè)量從現(xiàn)在到80億年前的暗物質(zhì)分布，”東京大學(xué)宇宙射線研究所的Yuichi Harikane助理教授補(bǔ)充道，“然而，我們可以進(jìn)一步追溯到過(guò)去，因?yàn)槲覀兪褂酶b遠(yuǎn)的CMB來(lái)測(cè)量暗物質(zhì)。這是第一次，我們幾乎是從宇宙的最早時(shí)刻開(kāi)始測(cè)量暗物質(zhì)。”

經(jīng)過(guò)初步分析，科學(xué)家們很快意識(shí)到，他們有足夠大的樣本來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)的分布。結(jié)合大型遙遠(yuǎn)星系樣本和CMB的透鏡扭曲，他們檢測(cè)到暗物質(zhì)的時(shí)間甚至更久遠(yuǎn)--從120億年前開(kāi)始。由于這僅僅是宇宙開(kāi)始后的17億年，所以這些星系在首次形成后不久就會(huì)被看到。

“我很高興我們?yōu)槟莻€(gè)時(shí)代打開(kāi)了一扇新的窗口，”Miyatake說(shuō)道，“120億年前，事情是非常不同的。跟目前相比，你看到更多正在形成過(guò)程中的星系；第一個(gè)星系團(tuán)也開(kāi)始形成。星系團(tuán)由100-1000個(gè)被引力束縛的星系和大量的暗物質(zhì)組成?！?/p>

來(lái)自普林斯頓大學(xué)的尤金-希金斯天文學(xué)教授、天體物理科學(xué)教授和本科生研究主任Neta Bahcall指出：“這一結(jié)果給出了一幅非常一致的星系及其演化圖景及星系內(nèi)和周?chē)陌滴镔|(zhì)以及這一圖景如何隨著時(shí)間的推移而演變?！?/p>

這項(xiàng)研究中最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一是跟暗物質(zhì)的團(tuán)聚性有關(guān)。根據(jù)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論，即Lambda-CDM模型，CMB的微妙波動(dòng)通過(guò)引力吸引周?chē)奈镔|(zhì)而形成密集的物質(zhì)池。這產(chǎn)生了不均勻的團(tuán)塊，在這些密集的區(qū)域形成了恒星和星系。該小組的研究結(jié)果表明，他們對(duì)團(tuán)塊的測(cè)量低于Lambda-CDM模型的預(yù)測(cè)。

Miyatake對(duì)這種可能性充滿熱情?！拔覀兊陌l(fā)現(xiàn)仍是不確定的。但如果它是真的，它將表明，當(dāng)你進(jìn)一步回到過(guò)去時(shí)，整個(gè)模型是有缺陷的。這是令人興奮的，因?yàn)槿绻诓淮_定因素減少后，這個(gè)結(jié)果仍成立，它可能暗示著對(duì)模型的改進(jìn)，并可能會(huì)使人們了解暗物質(zhì)本身的性質(zhì)?！?/p>

“在這一點(diǎn)上，我們將嘗試獲得更好的數(shù)據(jù)以看看Lambda-CDM模型是否真的能夠解釋我們?cè)谟钪嬷械挠^察結(jié)果，”普林斯頓大學(xué)的副研究學(xué)者Andrés Plazas Malagón說(shuō)道，“其結(jié)果可能是我們需要重新審視這個(gè)模型中的假設(shè)。”

“使用大規(guī)模的調(diào)查來(lái)觀察宇宙，如這項(xiàng)研究中使用的調(diào)查，其優(yōu)勢(shì)之一是你可以研究你在所得到的圖像中看到的一切，從我們太陽(yáng)系中的附近小行星到早期宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系，”來(lái)自普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)系教授兼系主任Michael Strauss表示，“你可以使用同樣的數(shù)據(jù)來(lái)探索很多新問(wèn)題?！?/p>

這項(xiàng)研究使用了現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡提供的數(shù)據(jù)，包括普朗克和斯巴魯。該小組只審查了1/3的斯巴魯超級(jí)超微鏡調(diào)查數(shù)據(jù)。下一步他們將分析整個(gè)數(shù)據(jù)集，這將使他們能夠?qū)Π滴镔|(zhì)分布進(jìn)行更精確的測(cè)量。在未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)期望使用像維拉-C-魯賓天文臺(tái)的空間和時(shí)間遺留調(diào)查(LSST)這樣的先進(jìn)數(shù)據(jù)集來(lái)探索更多最早的空間部分?！癓SST將使我們能夠觀察到一半的天空。我看不出有什么理由我們接下來(lái)不能看到130億年前的暗物質(zhì)分布，”Harikane說(shuō)道。