最精确地测量我们不断膨胀的宇宙

在山顶望远镜中安装了5000个微型机器人，研究人员可以观察110亿年前的过去。

来自太空中遥远物体的光现在刚刚到达暗能量光谱仪（DESI），使我们能够绘制出宇宙年轻时的地图，并将其发展追溯到我们今天所看到的。

现在，使用有史以来最大的宇宙3D地图，DESI合作已经对宇宙在其整个历史中的膨胀速度进行了迄今为止最精确的测量。了解我们的宇宙是如何进化的，与它的终结方式以及物理学中最大的谜团之一有关：暗能量，这种未知的成分导致我们的宇宙膨胀得越来越快。

包括密歇根大学科学家在内的研究人员在开放获取存储库arXiv上发表的多项研究中分享了他们第一年收集数据的分析，并在美国的美国物理学会会议和意大利的Rencontres de Moriond的演讲中分享了他们第一年收集的数据。

“DESI以前所未有的精确度绘制了过去110亿年宇宙的膨胀历史。在这样做的过程中，它提供了关于暗能量行为的新见解，这些行为导致了今天的加速膨胀，其物理性质仍然是一个关键的谜团，“UM物理学家Dragan Huterer说。“在未来的几年里，DESI将提供有关我们宇宙如何运作的宝贵新信息。

我们领先的宇宙模型被称为Lambda CDM。它包括正常物质和暗物质（“冷暗物质”或CDM）和暗能量（Lambda）。物质和暗能量都塑造了宇宙的膨胀方式，但方式相反。物质减缓了膨胀速度，而暗能量则加速了膨胀速度。每个的数量都会影响我们的宇宙如何演化。这个模型很好地描述了各种各样的宇宙学观测。

然而，当DESI的第一年结果与其他研究的数据相结合时，与Lambda CDM的预测存在一些细微的差异。随着DESI在其五年调查中收集更多信息，这些早期结果将变得更加精确，从而阐明数据是否指向我们观察到的结果的不同解释，或者是否需要更新我们的模型。更多的数据也将改善DESI的其他早期结果，这些结果会影响哈勃常数（衡量当今宇宙膨胀速度的指标）和称为中微子的粒子质量。

DESI对所有110亿年的膨胀历史的总体精度为0.5%，而最遥远的时代，涵盖过去80亿至110亿年，具有创纪录的0.82%的精度。对我们年轻宇宙的测量非常困难，UM物理学家Gregory Tarlé说。

“经过十多年的努力，看到第一个宇宙学结果的出现是令人欣慰的，”他说。“在项目的早期阶段，结果的重要性和吸引力让我感到惊讶。”

Tarlé领导了5000个机器人的建设项目，这些机器人将光纤放置在感兴趣的星系上，而Huterer正在共同协调从DESI数据中产生宇宙学模型约束的努力。密西根大学研究科学家迈克尔·舒布内尔（Michael Schubnell）是该项目的焦点平面科学家，负责确保仪器发挥最佳性能。

“与望远镜上的大多数仪器相比，DESI非常复杂，有许多活动部件，”Schubnell说。“因为 DESI 是关于统计数据的，所以每一分钟都很重要。”

DESI的5000个机器人定位器每晚多次操纵光纤到位，以捕获来自星系和称为类星体的极远物体的光。光被称为光谱仪的设备分成其颜色（或波长），这些“光谱”中的特征可用于找到冲离我们的星系的速度和距离。

时光倒流

DESI是一个由来自全球70多个机构的900多名研究人员组成的国际合作项目，该项目由美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）管理。该仪器由美国能源部科学办公室资助建造和运行，位于美国国家科学基金会基特峰国家天文台的尼古拉斯·梅亚尔（Nicholas U. Mayall）4米望远镜上，这是美国国家科学基金会NOIRLab的一个项目。

看看DESI的地图，很容易看到宇宙的底层结构：星系的链聚集在一起，被物体较少的空隙隔开。我们早期的宇宙，远远超出了DESI的视野，是完全不同的：一个热的、密集的亚原子粒子汤，移动得太快，无法形成像我们今天所知道的原子那样的稳定物质。这些粒子包括氢和氦核，统称为重子。

这种早期电离等离子体的微小波动会引起压力波，将重子移动成涟漪模式，类似于你把一把砾石扔进池塘里所看到的。随着宇宙的膨胀和冷却，原子形成，压力波停止，冻结了三维的涟漪，并增加了未来星系在密集区域的聚集。数十亿年后，我们仍然可以在星系的特征分离中看到这种微弱的3D涟漪模式，这一特征被称为重子声振荡。

研究人员使用BAO测量值作为宇宙标尺。通过比较这些气泡的表观大小，他们可以确定与导致天空中这种极其微弱模式的物质的距离。绘制近处和远处的BAO气泡图，可以让研究人员将数据切成块，测量宇宙过去每次膨胀的速度，并模拟暗能量如何影响这种膨胀。

使用星系来测量膨胀历史并更好地了解暗能量是一种技术，但它只能达到这一点。在某个点上，来自典型星系的光太微弱，因此研究人员转向类星体，这是极其遥远，明亮的星系核心，其中心有黑洞。来自类星体的光在穿过星系间气体云时被吸收，使研究人员能够绘制致密物质的口袋，并像使用星系一样使用它们。

研究人员使用了450,000个类星体，这是有史以来收集到的最大一组类星体，将他们的BAO测量结果一直扩展到过去的110亿年。在调查结束时，DESI计划绘制300万个类星体和3700万个星系。

超越暗能量

DESI是第一个进行完全“盲法分析”的光谱实验，它向科学家隐瞒了真实结果，以避免任何潜意识的确认偏差。研究人员在黑暗中处理修改后的数据，编写代码来分析他们的发现。一旦一切都完成，他们就会对原始数据进行分析，以揭示实际答案。

密西根大学物理学研究员Uendert dos Santos Andrade帮助开发和验证了一种旨在减轻确认偏差的方法。他共同领导了验证这种方法的论文。

“我们的策略涉及将我们的宇宙学分析’盲法’到实验者的偏见中，已被证明成功地保持了我们发现的完整性，”安德拉德说。“我们的科学发现的本质围绕着暗能量在宇宙中的神秘作用，即作为宇宙加速的驱动力。参与DESI收集了前所未有的强大数据，无论是在数量还是细节方面，对我来说都是一次非常鼓舞人心的经历，因为我参与了一个可能解开科学界最大谜团之一的项目：暗能量。

密歇根大学物理学研究生Sikandar Hanif是该研究的合著者，他使用机器学习方法帮助创建真实的模拟或模拟数据，用于测试DESI分析管道，然后用于真实数据。

“作为一个真实的物理仪器，DESI受到有形的限制，例如其5,000根光纤的大小，以及天空中两个或多个星系可能比两根光纤更近的事实，以便观察它们都可以真实地放置，”Hanif说。“机器学习为我们提供了一种快速的方法，通过量化每个目标的观察受到的影响，将这种’纤维分配’考虑在真实的模拟数据中。”

通过如此精确地对宇宙进行编目，DESI是研究暗能量的有力工具。这种保真度对于研究暗物质、中微子的质量以及单个星系如何随时间发展也很有用。它还提供了有关我们银河系周围尘埃的基本信息，这影响了许多其他天文学测量。

“最令人兴奋的事情之一是我们离学习中微子的新知识有多近。这些粒子非常轻，与其他一切的相互作用非常微弱，但是，在宇宙尺度上，它们仍然会影响宇宙的膨胀，“密歇根大学物理学研究生，该研究的合著者OtávioAlves说。“DESI正在以如此精确的方式描述这种膨胀，它帮助我们根据宇宙学数据对中微子的质量设定严格的限制，并且这些信息与粒子物理实验目前可以提供的信息相辅相成。

阿尔维斯帮助估计了该小组测量的不确定性。

“正确描述导致这些不确定性的仪器和观测限制至关重要，我的大部分工作都表明我们可以以一种稳健的方式做到这一点，”阿尔维斯说。“通过对我们的精度进行适当的评估，我们现在可以将我们的结果与其他结果进行比较，并判断它们的兼容性。

密西根大学物理学研究员约翰内斯·兰格（Johannes Lange）共同领导了DESI内部的一个大型工作组，该工作组探索研究人员可以从DESI中学到什么，并结合其他最先进的宇宙学实验。

“对我来说，最令人兴奋的是看到多年的工作走到一起，DESI兑现了承诺，让我们对暗能量的特性有了新的见解，”兰格说。“这些额外的方法来研究这个惊人的数据集，以及多年的DESI数据，仍然有待分析，这让我们感到非常兴奋。

密西根大学的研究生Jiaming Pan和Tianke Zhuang以及研究员Minh Nguyen也为DESI宇宙学分析做出了贡献，他们使用尖端的统计分析技术，从DESI数据中梳理出宇宙学约束。

DESI由美国能源部科学办公室和国家能源研究科学计算中心（美国能源部科学办公室用户设施）提供支持。美国国家科学基金会、英国科学技术设施委员会、戈登和贝蒂·摩尔基金会、海辛-西蒙斯基金会、法国替代能源和原子能委员会、墨西哥国家科学技术委员会、西班牙科学与创新部以及DESI成员机构为DESI提供了额外支持。

DESI合作很荣幸被允许对Iolkam Du’ag（基特峰）进行科学研究，这是一座对Tohono O’odham民族具有特殊意义的山峰。