暗能量调查揭示了宇宙复杂性的线索

1998年，天文学家发现宇宙正在加速膨胀，这要归功于一种叫做暗能量的神秘力量，它占宇宙的70%左右。这一发现令人惊讶，因为它反驳了宇宙膨胀应该因为引力而减慢的普遍观念。

天文学家通过观测特定种类的爆炸恒星（称为1a型超新星）进行计算而取得的突破于2011年获得诺贝尔物理学奖。

现在，在最初发现25年后，暗能量调查（DES）发布了使用相同技术的分析结果，以进一步探索暗能量的奥秘和宇宙的膨胀。在1月8日美国天文学会第243次会议的演讲中，宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Masao Sako和其他DES天文学家报告了与加速膨胀的宇宙的标准宇宙学模型一致的结果。然而，演讲者指出，他们的研究结果还不够明确，无法排除可能更复杂的模型。

“揭开我们的结果，看看关于暗物质和暗能量量的最新和最伟大的测量结果，并看到这项工作结束，这令人兴奋，”Sako说。“这对我来说绝对是一个激动人心的时刻。”

采用独特的分析方法

DES 是一项国际合作组织，由来自超过 25 个机构的 400 多名科学家组成。DES由美国能源部费米国家加速器实验室主办，使用暗能量相机绘制了整个天空的近八分之一的区域，暗能量相机是由美国能源部科学办公室支持的52000万像素数码相机，安装在智利国家科学基金会Cerro Tololo美洲天文台的Blanco 4米望远镜上。DES科学家在六年的时间里收集了758个晚上的数据。

为了了解暗能量的本质并测量宇宙的膨胀率，DES科学家使用四种不同的技术进行分析，包括1998年使用的超新星技术。

Sako和他的团队于2010年开始研究DES，当时相机仍在建造中，他们对该项目的主要贡献是设计了超新星技术的勘测策略。这包括选择要观察的天空区域，设置观测节奏，以及设置完整调查的模拟，以精确确定从成像数据中可以期待什么。

研究人员解释说，这种技术需要来自1a型超新星的数据，当一颗极其密集的死星（称为白矮星）达到临界质量并爆炸时，就会发生超新星。由于所有白矮星的临界质量都相同，因此所有1a型超新星的亮度水平大致相同。因此，当天文学家将从地球上看到的1a型超新星的表观亮度与其真实亮度进行比较时，他们可以确定超新星与我们的距离。

超新星的距离与其红移之间存在很强的相关性，红移是衡量它远离地球的速度的指标。将这两个值结合起来，揭示了超新星发生时宇宙膨胀的速度。天体物理学家可以将这种综合速率与今天的膨胀速率进行比较，以确定暗能量密度是保持不变还是随着时间的推移而变化。

“随着宇宙的膨胀，物质密度下降，”DES主任理查德·克朗说。“但是，如果暗能量密度是一个常数，这意味着暗能量的总比例必须随着体积的增加而增加。

十年努力的结晶

DES的合作者、澳大利亚昆士兰大学天体物理学教授塔玛拉·戴维斯（Tamara Davis）指出，标准宇宙学模型（称为LambdaCDM）是描述宇宙如何运作的主要理论。“它告诉我们宇宙是如何演化的，只用几个特征，比如物质的密度、物质的类型和暗能量的行为，”她说。

戴维斯解释说，超新星方法很好地约束了两个参数：物质密度和 w，这表明暗能量密度是否恒定。根据标准的宇宙学模型，宇宙中的暗能量数量是恒定的，这意味着它不会随着宇宙的膨胀而稀释。如果为 true，则由字母 w 表示的参数应等于 –1。

这是十年努力的结晶，对于许多参与其中的天体物理学家来说，这是一个激动人心的时刻。“我在颤抖，”戴维斯说，他也是DES超新星工作组的联合召集人。“这绝对是一个激动人心的时刻。”

结果发现 w = –0.80 +/- 0.18。结合欧洲航天局普朗克望远镜的补充数据， w 甚至更接近-1，但在误差线内仍然没有完全达到-1。

“w 并不完全在-1上，但足够接近，它与-1一致，”戴维斯说。“可能需要一个更复杂的模型——暗能量可能确实会随着时间而变化。

为了得出明确的结论，天体物理学家将需要更多的数据。但 DES 无法提供这一点;该调查于 2019 年 1 月停止获取数据。DES的合作者仍在使用其他技术进行分析。由许多博士生和博士后研究员领导的超新星团队将很快从DES观测中提取出他们所能提取的一切。

“将DES超新星信息与这些其他探测器相结合，将更好地为我们的宇宙学模型提供信息，”戴维斯说。
 
超新星团队将很快从DES观测中提取出他们所能提取的一切。很快，像鲁宾天文台这样的实验将从DES停止的地方继续 – 可能会进行相同的分析。“我们正在开创这些技术，这些技术将直接有益于下一代超新星调查，”Kron说。

开创新方法

在2018年的分析中，DES超新星分析对DES在2018年发布的第一个超新星结果进行了许多改进，该结果仅使用了207颗超新星和三年的数据。Davis和Sako表示，该团队由许多博士生和DES博士后研究员领导，在每一步都改进了他们的分析。这花了很多年的时间，但这次合作能够将他们的系统不确定性减半，并大大降低统计不确定性。

“在这里进行DES超新星分析的最后推动是一次非常有益的经历，”与Sako合作的博士生Helen Qu说。“我当然期待与鲁宾一起进一步了解宇宙学。屈总干事开发了一种用于分析的机器学习方法，并编制了DES观测到的完整星系目录。从该目录中为每颗超新星识别出一个宿主星系，并用于获得超新星的超精确红移测量。

Sako 的另一位博士生 Jason （Jaemyoung） Lee 说：“成为这次合作努力的一部分是一次了不起的经历，我真的从我的合作者那里学到了很多东西。我也非常体会到为确保我们的结果稳健而付出了多少努力。Lee量化了大气层对DES超新星通量测量的影响程度，具体取决于超新星的颜色。

另一个改进是，Sako的团队和其他DES研究人员使用了最先进的机器学习技术来帮助超新星分类。在观测到的3亿个遥远星系的数据中，SAKO在DES的超新星工作组发现了1,499颗1a型超新星，使其成为有史以来单台望远镜中最大，最深的超新星样本。

1998年，获得诺贝尔奖的天文学家只用了52颗超新星就确定了宇宙正在加速膨胀。“与 25 年前相比，这是一个非常大规模的规模，”戴维斯说。

这些DES超新星的数据也比以前的调查更精确，因为它们是在四种颜色的滤光片中观察到的，与诺贝尔奖获得者超新星样本相比，这是一个重大进步，后者只使用一个或两个滤光片。

“[这个新的超新星结果]令人兴奋，因为这意味着我们真的可以在它上面系上蝴蝶结，把它分发给社区，并说，’这是我们解释宇宙如何运作的最佳尝试，’”戴维斯说。“这些限制现在将成为超新星宇宙学的黄金标准，在相当长的一段时间内。

即使更先进的暗能量调查即将到来，DES科学家也强调了除了实验观察之外，还有理论模型来解释暗能量的重要性。“所有这些都是未知的领域，”Kron说。“我们没有一个理论将暗能量放入一个与我们理解的其他物理学相关的框架中。目前，我们DES正在努力限制暗能量在实践中的工作方式，并期望以后一些理论可以被证伪。

“即使我们无限精确地测量暗能量，也不意味着我们知道它是什么，”戴维斯说。“暗能量仍然在那里有待发现。

DES项目的资金由美国能源部、美国国家科学基金会、西班牙科学和教育部、英国科学技术设施委员会、英格兰高等教育资助委员会、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校国家超级计算应用中心提供。 芝加哥大学卡夫利宇宙物理研究所、巴西资助和项目资助机构、里约热内卢州卡洛斯·查加斯·菲略研究支持基金会、巴西国家科学技术发展委员会和科学技术部、德国研究基金会和暗能量调查的合作机构。