绘就“宏大的虚无”：新型“时间回溯”算法助力暗能量研究

绘制“大荒芜”：新型“回溯时间”算法助力暗能量研究

宇宙并非一碗均匀的物质汤，而是一个被称为“宇宙网”的巨大且复杂的网络。虽然天文学研究大多集中在这个网络的“明亮”面——星系团和发光的纤维状结构——但宇宙体积的绝大部分实际上是由“宇宙空洞”构成的。这些巨大的低密度区域就像宇宙结构中的气泡。由来自博洛尼亚大学（University of Bologna）和马克斯·普朗克地外物理研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）等机构的 Simone Sartori、Sofia Contarini 和 Lauro Moscardini 领导的研究团队，推出了一种旨在以前所未有的精度绘制这些空洞的高级新工具。这种被称为“逆时空洞发现器”（Back-In-Time Void Finder，简称 BitVF）的动力学算法，利用最优传输（optimal transport）数学来逆转宇宙的膨胀，使科学家能够穿透观测畸变，看到宇宙真实的演化历史。

宇宙空洞的意义

宇宙空洞已成为现代宇宙学中最强大的探测手段之一。因为它们相对空旷，受主导星系团的复杂非线性引力过程的影响较小。这使得它们成为测试暗能量（驱动宇宙加速膨胀的神秘力量）属性以及寻找广义相对论偏差的理想“实验室”。空洞充当了宇宙膨胀的敏感指标；它们的形状、大小和增长率都带有底层宇宙学模型的特征。然而，定义一个以“空旷”为特征的区域边界，在历史上一直是天文学家面临的一大挑战，因为这些区域本质上难以进行精确观测和测量。

宇宙绘图的挑战

识别空洞的传统方法通常依赖于“拓扑”或“基于密度”的定义，即研究人员在星系分布中寻找间隙。然而，这些方法面临两个主要问题：“散粒噪声”和红移空间畸变（RSD）。散粒噪声的产生是因为星系只是底层暗物质的稀疏示踪物；在低密度的空洞中，星系如此之少，以至于“地图”变得模糊且充满噪声。红移空间畸变则通过根据星系的本动速度改变其感知位置，拉伸或挤压空洞的表观形状，使情况进一步复杂化。这些系统性效应可能导致关于暗能量性质的结论出现偏差，使得像暗能量光谱巡天（DESI）这样的项目难以发挥其全部潜力。

“回溯时间”算法的工作原理

BitVF 代表了从静态映射到动力学重建的范式转变。BitVF 不再仅仅观察星系现在的位置，而是根据“拉格朗日位移场”（本质上是物质元素从早期宇宙到今天所经过的路径）来识别空洞。空洞被定义为“负散度”区域，在这些区域，物质在数十亿年间协调地向外流动。为了实现这一点，该算法采用了最优传输（OT）理论，这是数学的一个分支，关注的是将物质从一种配置移动到另一种配置的最有效方式。通过应用 OT，研究人员可以“倒流”时钟，将当今的星系分布追溯到几乎均匀的原始状态，而无需在开始时假设特定的宇宙学模型。

最优传输理论的作用

最优传输理论的使用特别具有创新性，因为它自然地考虑了“示踪物偏差”——即星系并不能完美代表底层暗物质分布这一事实。在 Sartori 及其同事描述的方法中，OT 重建通过寻找最小化物质移动“成本”的唯一映射，恢复了示踪物的逆时动力学。这种非局部方法确保了重建场中的每个点都受到大尺度质量流的影响，而不仅仅是局部星系密度。因此，BitVF 产生的位移场本质上更加平滑，且对稀疏采样引起的波动更具鲁棒性，从而为构成宇宙空洞的标准提供了更具物理依据的准则。

与当前标准的验证

为了测试新工具的效力，研究团队利用高分辨率 N 体模拟，将 BitVF 与广泛使用的 REVOLVER 算法进行了对比验证。发表在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上的研究结果表明，BitVF 生成的空洞编目具有更平滑的密度剖面和更高的稳定性。虽然传统的拓扑发现器在星系数据稀疏时表现挣扎，但 BitVF 的丰度计数即使在严苛的示踪物欠采样下也能保持一致。通过比较这两种方法，研究人员证明了 BitVF 不易受经常在其他编目中制造虚假空洞的“噪声”影响，从而确保识别出的结构是宇宙网真正的动力学特征。

减轻红移空间畸变

BitVF 框架最重大的突破之一是其处理红移空间畸变的能力。在旨在模拟 DESI 巡天数据的逼真模拟编目中，研究人员证明了 BitVF 本质上减轻了沿视线方向空洞的系统性拉伸。通过将重建与偏差校正的 Kaiser 框架（一种星系聚类的数学模型）相结合，团队能够将空洞映射回其“真实空间”位置。这种校正产生的空洞统计数据在不同红移下保持一致，这是旨在测量宇宙数十亿年演化的第四代星系巡天的关键要求。

对暗能量巡天的未来影响

这项研究对于未来十年的天文观测具有深远影响。随着 DESI 和 Euclid 等巡天项目提供关于宇宙大尺度结构的海量数据，BitVF 等工具对于提取纯净的宇宙学信号将至关重要。作者指出，“BitVF 将在 CosmoBolognaLib 中公开发布”，强调了博洛尼亚大学和意大利国家天体物理研究所（INAF）等机构之间这项工作的协作性质。通过提供更准确的“大荒芜”地图，科学家可以更精确地测量结构的增长率和宇宙的膨胀史，从而可能解决哈勃常数不同测量值之间的张力。

下一步：未来方向

展望未来，研究团队计划改进 BitVF，以应用于更复杂的巡天几何结构和观测掩模。其目标是创建一个无缝管线，使动力学重建成为空洞分析的标准组成部分。该算法的未来迭代可能会整合更复杂的物理学，例如有质量中微子对空洞增长的影响。随着 Sartori 及其团队继续优化计算效率与准确性之间的平衡，BitVF 成为了连接最优传输抽象数学与我们膨胀宇宙物理现实的重要桥梁，有望为我们提供一个更清晰的宇宙暗面视野。