暗能量调查最终数据挑战我们对宇宙演化的理解
在对南部天空进行了为期六年的扫描后，暗能量调查（Dark Energy Survey, DES）发布了其最终的第六年（Y6）分析报告，为迄今为止的宇宙学标准模型提供了最严格的压力测试之一。通过绘制跨越 5,000 平方度、近 1.5 亿个星系的位置和形状，一个由 J. Fang、Y. Zhang 和 J. Carretero 等研究人员组成的国际大科学协作团队，以空前的精度探测了宇宙 138 亿年的历史。研究结果强化了一个持久且极具挑战性的差异：现代宇宙看起来比早期宇宙条件所暗示的更少“团块化”。这种“S8 张力”可能预示着我们目前对物理学的理解——特别是 Lambda 冷暗物质（ΛCDM）模型——需要进行根本性的修正，以解释宇宙结构的演化。
暗能量调查总部设在智利的 Blanco 望远镜，由费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）部分管理，旨在调查暗能量的本质，即驱动宇宙加速膨胀的神秘力量。第六年的结果是五年半观测和数年严格“盲测”分析的结晶，科学家在这一过程中对最终结果保密，以避免确认偏误。通过分析宇宙的大尺度结构，DES 协作组旨在确定暗物质在数亿年间是如何聚集在一起的，以及暗能量又是如何通过拉伸时空结构本身来对抗这种聚集的。
宇宙测绘的方法论
为了获得这些结果，协作组利用了一种被称为“3x2pt”分析的高级方法，该方法结合了三种不同的两点相关函数。首先，研究人员测量了约 1.4 亿个源星系的“宇宙剪切”。这涉及检测由中间暗物质的引力吸引引起的遥远星系形状的微小扭曲——这种现象被称为弱引力透镜。其次，他们分析了 900 万个透镜星系的“星系成团性”，绘制它们的具体位置以观察星系如何自然地聚集在一起。最后，他们进行了“星系-星系透镜”分析，这是一种互相关技术，将前景透镜星系的位置与背景源星系的扭曲形状联系起来。这种多管齐下的方法允许对宇宙中的物质总量及其集中程度进行自洽测量。
用于描述这种集中程度的主要指标是 S8 参数，它代表物质的成团幅度。根据 DES 第六年 3x2pt 分析，S8 值测量为 0.789 ± 0.012，而总物质密度（Ωm）为 0.333。这些数值非常精确，但它们与源自宇宙微波背景（CMB，即大爆炸的“余辉”）的预测存在张力。来自普朗克（Planck）卫星以及阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT-DR6）和南极望远镜（SPT-3G）的数据表明 S8 值更高，这意味着早期宇宙预测的现代宇宙应该比 DES 实际观测到的更具团块化。
日益增长的“S8 张力”
这种被称为 S8 张力的差异已成为现代宇宙学的核心焦点。DES 第六年的结果显示，当仅投影到 S8 参数上时，与 CMB 初级各向异性数据集相比，存在 2.6 西格玛（2.6-sigma）的张力。当考虑完整的参数空间时，差异约为 1.8 西格玛。虽然这些数字对于普通人来说似乎很小，但在高精度物理学领域，它们代表了标准模型中一个持续存在的“裂痕”。如果早期宇宙（CMB）和晚期宇宙（DES 绘制的星系）不一致，这表明在宇宙演化的数十亿年间发生了某些我们目前的方程式未能捕捉到的事情。宇宙在其生命的这一阶段实际上比我们预想的要更加“平滑”。
由于 DES 协作组的巨大规模，这一发现的统计稳健性得到了加强。在芝加哥大学（University of Chicago）、普林斯顿大学（Princeton University）和伦敦大学学院（University College London）等机构的贡献下，该研究经历了详尽的系统性检查。研究人员考虑了诸如光度红移误差（估计星系距离）、星系的内禀对齐以及“重子反馈”效应（星系内的气体和恒星推挤物质并模糊暗物质信号的方式）等变量。尽管进行了这些修正，S8 张力依然存在，这表明该结果是宇宙的一个特征，而非测量误差。
超越标准模型：wCDM 与新物理学
除了将暗能量视为常数“宇宙学常数”的标准 ΛCDM 模型外，研究人员还使用 wCDM 框架对数据进行了建模。在这个版本的宇宙中，暗能量状态方程参数（w）被允许变化。Y6 3x2pt 的结果得出的 w 值为 -1.12，这与宇宙学常数（w = -1）一致，但为随时间变化的“动态”暗能量留下了空间。当 DES 3x2pt 数据与其他低红移数据集（包括超新星 SNe Ia、重子声学振荡 BAO 和星系团）结合时，ΛCDM 模型中与 CMB 的张力增加到 2.8 西格玛。
什么可以解释这种差距？宇宙学家现在正在考虑几种“新物理”情景。一种可能性是暗能量不是一种恒定的力量，而是会演化的，它以一种抑制结构生长的方式改变宇宙膨胀率。另一种假设涉及中微子的质量；DES Y6 与 CMB 和 BAO 数据的联合拟合对中微子质量之和产生了迄今为止最严格的限制，发现它们小于 0.14 eV。如果中微子或其他“暗”粒子的行为与预期不同，它们可能会施加一种微妙的压力，阻止物质像普朗克数据预测的那样紧密成团。
暗能量调查的遗产
第六年结果的发布标志着暗能量调查协作组的一个里程碑。通过结合所有 DES 探测手段——弱透镜、成团性、超新星和星系团——该团队创建了一个明确的低红移宇宙地图。该数据集将在未来数年内作为黄金标准，为下一代天文台提供基准。这项工作的高影响力体现在其精度上；Y6 3x2pt 与 CMB 及其他数据集的联合拟合产生了迄今为止约束最紧的宇宙学参数：物质密度为 0.302，哈勃常数（h）为 0.683。
展望未来，“宇宙学危机”可能会通过更大规模的调查得到解决。Vera C. Rubin 天文台的空间和时间遗产调查（LSST）和欧洲航天局的 Euclid 任务将观测数十亿个星系，使 DES 分析的 1.5 亿个星系相形见绌。这些即将开展的项目要么会确认 S8 张力是革命性新物理学的迹象，要么会表明它只是统计波动。目前，DES 第六年的结果证明了人类的智慧，为塑造我们现实的黑暗力量提供了一个更清晰——尽管也更神秘——的视角。正如 J. Fang、Y. Zhang 及其同事所总结的那样，宇宙继续隐藏着挑战我们关于时空本质最基本假设的秘密。
Comments
No comments yet. Be the first!