文化传媒

当前位置:分分彩个位必中规律 > 文化传媒 > 科学家们使用类星体探测黑暗能量衡量它在宇宙演化中的作用

科学家们使用类星体探测黑暗能量衡量它在宇宙演化中的作用

发布时间:2018-05-18 点击量:14

国际科学家小组利用一种新的映射技术来测量暗能量在宇宙演化中的作用,该技术使用类星体探测过去100亿年的暗能量。 /

重子振荡光谱测量BOSS正在映射大量空间来测量暗能量在宇宙演化中的作用。 BOSS是第三次斯隆数字巡天(SDSS-III)中最大的一个项目,它刚刚宣布了基于48,000多个类星体的红外图谱的新映射技术的第一个主要结果,红移高达3.5,这意味着光线会留下这些过去活跃的星系长达115亿年。

“以前没有任何关于暗能量研究的技术能够探究这个古老的时代,这个时代物质仍然足够密集,以引力来减缓宇宙的膨胀,并且还没有感受到暗能量的影响。” BOSS主要研究员David Schlegel,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)物理部门的天体物理学家。 “在我们自己的时代,扩张正在加速,因为宇宙是由黑暗能量支配的。黑暗能量如何影响从减速到加速的转变是宇宙学中最具挑战性的问题之一。“

测量宇宙膨胀的两种方法

作为一个国际合作组织,BOSS的许多领先科学家都是伯克利实验室的现任或前任成员,BOSS通过绘制重子声学振荡(BAO)来研究暗能量 - 这是可见星系分布变化的大规模网络,看到银河系的气体云,它也揭示了不可能看到的暗物质。物质密度中峰值的规则间距起源于原始密度变化,其残余物在宇宙微波背景辐射中可见。这个间隔提供了一个宇宙统治者,用于校准BAO可以测量的膨胀率。

BOSS利用新墨西哥州阿帕奇角天文台的斯隆基础望远镜对BAO进行了双管光谱调查。首要任务是调查红移达0.8的正常明亮星系,过去约70亿年; 2012年3月宣布了包括30多万个星系在内的星系调查的第一个结果。但是,在足够高的红移范围内收集足够多的星系以在早期宇宙中绘制BAO是不能用2.5米望远镜完成的。因此BOSS的第二个目标是:类星体。

“类星体是天空中最亮的物体,因此它是衡量光谱红移2.0以上的唯一可靠方法,”Schlegel说。 “在这些红移处,星系比类星体多出一百倍,但它们太弱而不能用于BAO。”

类星体太稀疏无法直接测量BAO,但有另一种方法可以揭示高红移的BAO。随着类星体的光线在通往地球的途中穿过星际气体云,它的光谱形成了大量被称为莱曼阿尔法森林的氢吸收线。理想情况下,“森林”中的每条吸收线都可以揭示类星体的光线穿过中间的气体云。就像从雾中看到的一个手电筒一样,单个类星体光谱中各个吸收线的不同突出和红移显示气体密度随着视线方向的距离而变化。

有了足够的类星体,足够靠近并覆盖广阔的天空,中间的气体云的分布可以在三维上映射。这个想法在21世纪初首先由加拿大理论天体物理研究所的Patrick McDonald和现在在伯克利实验室的Martin White提出。

“当我在2003年将这个想法提交给一个宇宙学家会议时,他们认为这很疯狂,”怀特说。他还是加州大学伯克利分校物理学和天文学教授,也是BOSS科学调查团队的主席。 “九年后,BOSS证明这是一种非常强大的技术。它已经超越了我们最疯狂的梦想。“

SDSS-III更精密的光谱仪,其构建由伯克利实验室的娜塔莉罗伊执导,比以前的调查有更好的覆盖率和分辨率,但在Lyman-alpha森林中搜索BAO仍然是一个高风险的提议,原因很多。莱曼-α吸收线出现在光谱的紫外线部分,被地球大气吸收;从地面上看,只有那些光谱被红移的类星体才是有用的。线条只标记中性氢;宇宙中的大部分氢都是电离的。在其他不确定因素中,氢云的不规则加热或者太多太近的类星体可能会使聚类信号失真。

“与星系调查相比,在Lyman-alpha森林中寻找BAO是很酷的 - 高风险,但高回报,”领导目标选拔团队的伯克利实验室的尼古拉斯罗斯说。为了捕捉足够的类星体图来进行聚类 - 每平方度天空至少有15到20个类星体 - BOSS在5年运行期间必须将200万个个体目标中的10%投入到可能的类星体中。目标必须从光度数据(一种物体的不同颜色的亮度)中选择,但是只有在光谱被采集后,团队才能确定哪些目标是真正的类星体,哪些是星体或其他类星体模拟。 BOSS抓住机会。

“我们有一件事对我们有利,”罗斯说。 “只要它是高红移,它与哪种类型的类星体无关。为了识别它们,我们可以使用紫外线数据,近红外数据 - 任何方法,任何技巧 - 因为我们只是将它们用作背光来探测中间的气体云。最终我们发现我们所有的选择算法都运行良好。“

搜索信号

初始Lyman-alpha结果 - 在这个宇宙演化的早期阶段BAO的第一张地图 - 基于BOSS最终映射的空间体积的三分之一,包括60,369个类星体,通过对其光谱的视觉检查证实。但为了简化对BAO的搜索,其中许多被丢弃。

伯克利实验室的Bill Carithers说:“为了让BAO摆脱这些数据,我们必须消除扭曲了我们正在寻找的信号的文物。一类废弃物是宽吸收线类星体,其光谱已被来自类星体活跃中心的极快速运动的气体弄脏。另一类是类星体,其光谱具有“衰减莱曼阿尔法波谷”的类星体,Carithers说:“当类星体发出的光线进入非常非常大的气体丛中时,它会如此大,以至于消灭森林。”

除去无用的光谱后,BOSS剩下48,129个类星体。 2011年5月,由布鲁克海文国家实验室的AnžeSlosar领导的一个团队,以前在伯克利实验室,已经证明了使用14,000个BOSS类星体来测量星系间氢气变化密度的实用性 - 足够用来描述宇宙间距离的Slosar,建立这个概念的证明。“

“我们不会在单一视线中使用具体信息,我们会考虑许多人之间的相关性,”Carithers说。 “BOSS是第一个这样做的,因为我们有足够的类星体 - 太少了,你看不到这个模式。”

除了帮助将望远镜的原始数据转换为有用的科学信息之外,伯克利实验室的斯蒂芬贝利负责生成模拟数据集 - 称为“模拟” - 以确保分析的可靠性。

“当你试图测量以前从未测量过的东西时,模拟非常重要,”Bailey说。 “我们知道真正的类星体在哪里,我们知道天然气的物理性质,但我们不知道天然气在哪里。我们的模拟是基于真实类星体的位置和红移,但是模拟光谱给出了不同的气体分布。如果我们能在一次分析中看到模拟分布,我们应该看到它。“

最后,经过伯克利实验室高性能计算服务组提供的Riann Linux集群计算机数据处理和模拟谱图生成后,对超过48,000个类星体的Lyman-alpha森林的竞争分析都得到了类似的结果。

本报告中使用的分析技术由Andreu Font-Ribera及其合作者在BOSS的法国参与团队中开发。应用到真正的类星体光谱中,他们生成了一张密度分布图,贝利说,“这让我们在这个先前隐藏的区域首先看到BAO。”

施莱格尔说:“我们没有其他可靠的方法可以在两次或两次以上的红移中测量BAO。五年前它是chancy,但它是桌上唯一的提案。我们可能以任何方式失败,但大自然对我们很好。“

怀特说:“当扩张正在减速并且黑暗能量很难被看到时,我们正在回到物质主导的宇宙。从减速扩张到加速扩张的过渡非常激烈,现在我们生活在一个以黑暗能量为主的宇宙中。宇宙学最大的难题是,为什么是现在?“

这是一个BOSS可以说明的问题,因为它在SDSS-III完成之前收集了超过一百五十万个星系和超过160,000个类星体。与此同时,莱曼阿尔法森林开启了古代宇宙的新视野,未来可能会完全成熟,比如提议的BigBOSS更强大的调查。

“BOSS类星体Lyα森林中的重子声学振荡”,N.G. Busca,TimothéeDelubac,James Rich,Stephen Bailey,Andreu Font-Ribera,David Kirkby,J.-M. Le Goff,AnžeSlosar,ÉricAubourg,Julian Bautista,Michael Blomqvist,Bill Carithers,Rupert AC Croft,Kyle S. Dawson,Daniel J. Eisenstein,Jean-Christophe Hamilton,Shirley Ho,Khee-Gan Lee,Daniel Margala,Jordi Miralda -Escudé,Pasquier Noterdae,Nathalie Palanque-Delabrouille,IsabellePâris,Patrick Petitjean,Matthew M. Pieri,Emmanuel Rollinde,Nicholas P. Ross,David J. Schlegel,David H. Weinberg,Martin White和ChristopheYèche已被提交到 天文&天体物理学 / 并可在arXiv预印本服务器上获得,网址为http://arxiv.org/abs/1211.2616。

来源:Paul Preuss,劳伦斯伯克利国家实验室

图片:Zosia Rostomian,劳伦斯伯克利国家实验室; Nic Ross,BOSS Lyman-alpha团队,伯克利实验室;和Springel等人,Virgo Consortium和Max Planck天体物理研究所; Zosia Rostomian,劳伦斯伯克利国家实验室和Nic Ross,BOSS Lyman-alpha团队,伯克利实验室