KiDS 巡天新發現:宇宙中物質分佈比預期的更均勻

平方千度巡天(KiDS)的最新研究結果表明,宇宙的均勻性要比標準宇宙學模型(L-CDM,冷暗物質模型)預測的高出近10%。 研究中所用的資料是使用歐洲南方天文臺(位於智利北部)的VLT望遠鏡觀測的。 來自荷蘭、蘇格蘭、英國、德國、義大利和中國的科研機構用五篇文章描述了KiDS巡天的最新結果,其中最後三篇今天已經線上發表在《天文學與天體物理學》雜誌上。

KiDS 巡天新發現:宇宙中物質分佈比預期的更均勻

KiDS星系密度圖的部分影象,顯示的是一個1。5*10光年的小塊宇宙。

KiDS是歐洲南方天文臺的一個巡天專案,計劃對1350的天區進行多波段的成像觀測。最新的KiDS觀測已經覆蓋約1000平方度的天區,相當於河外天區的5%。 在此項研究中,工作人員使用了KiDS中的3100萬個星系,這些星系中最遠的距離我們達100億光年(共動距離)。 當我們的宇宙大約為現在年齡的一半時,這些星系就已經發出了自己的光。

KiDS透過弱引力透鏡效應利用星系來測繪宇宙中物質的分佈。在弱引力透鏡中,來自遙遠距離的背景星系的光會受到許多前景天體(例如星系團)的引力作用而發生微小的偏轉。該效應可以用來探測星系分佈的“成團性”。這種效應關係到宇宙中的所有物質,且其中超過90%的是看不見的暗物質和彌散氣體。

隨著時間的流逝,引力使得宇宙中得物質變得越來越不均勻。質量略高於平均值的區域會吸引周圍的物質,使得這些區域的質量比周圍區域的質量更高。 同時,宇宙的膨脹也在抵消著這種質量的增加。這兩個過程都是引力驅動的,因此對於測試宇宙學標準模型至關重要,宇宙學標準模型可以準確地預測宇宙中物質密度如何隨宇宙的年齡增大而變化。

但是,KiDS最近的結果顯示:

宇宙的均勻性比標準模型所預測的要高出近10%

萊頓大學、KiDS專案首席Koen Kuijken教授用“迷人的、耐人尋味的”來評價這個結果。 他表示:“對於宇宙,我們有一個非常好的物理學模型,該模型能夠很好地描述觀測結果。但是,它同時也包含著非常特殊而神秘的東西,尤其是暗物質和暗能量。你必須用盡可能多的方式檢測這種模型,這就是我們正在做的。問題是,我們是否可以透過對模型進行微調來解決我們遇到的問題?例如,與完全惰性的“冷暗物質”的簡單假設相比,我們可以認為暗物質的行為稍微複雜一些。”

中山大學物理與天文學院、KiDS星系形成與強引力透鏡專案的負責人Nicola R。 Napolitano教授表示:“我們都對這種微小的但在統計上顯著的差異非常感興趣,因為在KiDS最新的第四期資料釋出後,這種差異似乎得到了證實。其實我們已經在之前的第三期資料中測量到了這個差異,但是第三期資料只有第四期資料的一半,我們當時不得不謹慎地對待該結果。在新的資料中,可用於測量弱引力透鏡效應的星系數量增加了一倍,這在系統上加深了我們的理解。另外,基於其他宇宙學引數(比如表徵宇宙膨脹的哈勃常數)的其他實驗也報導過類似的差異。我們正在見證一個激動人心的時刻,我們將會明白我們是否需要轉向某種新的宇宙學框架,這包括對暗物質本質的理解。”

另外,美國和日本的兩個專案,也在利用他們的資料進行類似分析。 2022年起,人們將會利用更強大的望遠鏡對這個問題進行研究。比如,魯賓(Rubin)望遠鏡將比VST強大60倍以上,而歐幾里德望遠鏡和中國的空間站望遠鏡將從太空拍攝更清晰的星系影象。 KiDS團隊的許多成員也參與了這些即將實施的專案。