暗能量调查中对宇宙距离的新测量提供了有关暗能量本质的线索

我们现在有了宇宙学的标准模型，即大爆炸理论的当前版本。尽管事实证明它非常成功，但其后果却是惊人的。我们只知道宇宙的5%的内容，这是正常物质。剩下的95%由两种从未在实验室生产过的奇异实体组成，其物理性质仍然未知。

它们分别是占宇宙含量25%的暗物质和占70%的暗能量。在宇宙学的标准模型中，暗能量是真空的能量，其密度在整个宇宙的演化过程中保持恒定。

根据这个理论，声波在非常早期的宇宙中传播。在早期阶段，宇宙具有巨大的温度和密度。初始气体中的压力试图将形成它的粒子推开，而重力则试图将它们拉在一起，两种力之间的竞争产生了声波，声波从宇宙诞生之初一直传播到大爆炸后约40万年。。

那时，辐射和物质停止相互作用，波被冻结，在物质的空间分布上留下了印记。这种印记被观察为按特征距离分隔的星系的小型优先堆积，被宇宙学家称为重子声振荡(BAO)尺度，并且对应于声波在这40万年中传播的距离。

宇宙距离的新测量

暗能量巡天(DES)刚刚测量了宇宙年龄一半时的BAO尺度，精度为2%，这是在如此早期的时代迄今为止最准确的测量，也是第一次仅通过成像进行测量具有竞争力专门为检测该信号而设计的大型光谱活动。

声波在早期宇宙中传播的距离取决于众所周知的物理过程，因此可以非常精确地确定它，为宇宙设定一个尺度。这就是宇宙学家所说的标准尺。在这种情况下，它的长度约为5亿光年。

通过观察这把标准尺在天空中不同距离(或者换句话说，在宇宙的不同时期)所成的角度，我们可以确定宇宙膨胀的历史，并由此确定暗能量的物理性质。特别是，它可以通过分析宇宙微波背景来确定，宇宙微波背景是大爆炸40万年后原子形成时释放的辐射，这为我们提供了极早期宇宙的快照，正如普朗克合作组织于2018年发布的那样。

也可以像DES那样通过研究星系映射中的BAO尺度来确定晚期宇宙。分析这两个测定的一致性是宇宙学标准模型最苛刻的测试之一。

CIEMAT宇宙学小组负责人尤西比奥·桑切斯(EusebioSánchez)表示：“经过近二十年的持续努力，看到DES如何产生与宇宙学相关性最高的科学成果，我们感到非常自豪。”“这是对在该项目上投入的努力的极好的回报。”

“我们观察到，与其他距离相比，星系在天空中更倾向于以2.90度的角度相互分离，”IFAE博士后研究员、分析协调员之一圣地亚哥·阿维拉(SantiagoÁvila)评论道。“这就是信号!在数据中可以清楚地看到波，”他补充道，指的是第一张图。“这是一个微妙的偏好，但在统计上是相关的，”他说，“我们可以以2%的精度确定波浪模式。作为参考，满月在天空中的直径为半度。所以如果我们能够用肉眼观察星系，BAO距离看起来就像六个满月。”

1600万个星系测量70亿年前的宇宙

为了测量BAO尺度，DES使用了1600万个星系，分布在八分之一的天空上，这些星系经过专门选择，以足够的精度确定它们的距离。

“选择一个能够让我们尽可能准确地测量BAO尺度的星系样本非常重要，”获得博士学位的胡安·梅纳(JuanMena)说道。在CIEMAT从事这项研究，现在是格勒诺布尔(法国)亚原子物理和宇宙学实验室的博士后研究员。“我们的样本经过优化，可以在更多的星系数量和确定它们距离的确定性之间取得良好的折衷。”

宇宙距离如此之大，光需要数十亿年才能到达我们，从而使我们能够观察宇宙的过去。这项研究中使用的星系样本打开了一扇了解七十亿年前宇宙的窗口，略小于现在年龄的一半。

马德里IFT博士后研究员马丁·罗德里格斯·蒙罗伊(MartínRodríguezMonroy)表示：“这一过程中最复杂的任务之一是清除星系样本中的观测污染物：区分星系和恒星，或者减轻大气对图像的影响。”。

关于神秘暗能量的线索

这项研究的一个有趣发现是，这些波在天空中占据的大小比欧空局普朗克卫星在早期宇宙中使用宇宙微波背景辐射进行的测量所预测的大4%。考虑到星系样本和分析的不确定性，这种差异有5%的可能性只是统计波动。如果不是，我们可能会看到第一个线索，表明当前的宇宙学理论并不十分完整，而且暗成分的物理性质甚至比以前想象的更加奇特。

“例如，暗能量可能不是真空的能量。它的密度可能会随着宇宙的膨胀而变化，甚至空间可能会稍微弯曲，”波鸿鲁尔大学(RUB)的西班牙研究员安娜·波雷东(AnnaPorredon)说在德国。这位研究员是欧盟玛丽·斯克洛多夫斯卡-居里行动计划的研究员，也是这项分析的协调员之一。

在DES之前，其他宇宙学项目已经在宇宙的不同年龄测量了BAO尺度，主要是为此目的而设计的重子振荡光谱巡天(BOSS)及其扩展(eBOSS)。然而，在宇宙如此早期，DES测量是最准确的，其不确定性只有当时eBOSS的一半。精度的显着提高使得揭示BAO尺度与宇宙学标准模型可能存在的差异成为可能。

“为了追随这一线索，下一个关键步骤是将这些信息与DES探索的其他技术结合起来，以了解暗能量的本质，”布鲁克海文国家实验室(美国)博士后研究员、曾在暗能量研究所工作的HugoCamacho评论道。巴西圣保罗州立大学(IFT-UNESP)理论物理学教授，也是电子天文学实验室(LIneA)的成员。“此外，DES还为宇宙学发现的新时代铺平了道路，未来的实验将进行更精确的测量。”

暗能量调查

顾名思义，DES是一个大型宇宙学项目，专门用于研究暗能量的特性。它是由来自七个国家的400多名科学家组成的国际合作项目，总部位于芝加哥附近的美国能源部费米国家加速器实验室。该项目旨在使用四种相互补充的方法：与超新星的宇宙学距离、星系团的数量、星系的空间分布以及弱引力透镜效应。

此外，可以将这些方法组合起来以获得更高的统计功效和更好的观测控制，预计这些结果是一致的。引力透镜效应与星系空间分布的结合尤其重要。这些分析以非常苛刻的方式测试宇宙学模型。使用一半DES数据的结果已经发布，广受好评，并且使用超过1.5亿个星系的完整数据集的最终测量结果预计将于今年晚些时候发布。

“DES让我们第一次了解60亿年前开始的宇宙加速膨胀是否与我们当前的宇宙起源模型一致，”共同协调这项最新分析的MartinCrocce评论道。来自ICE。

为了使用所有这些技术，DES建造了570兆像素暗能量相机(DECam)，这是世界上最大、最灵敏的相机之一。它安装在由美国国家科学基金会NOIRLab运营的智利托洛洛山美洲天文台的VíctorM.Blanco望远镜上，该望远镜配有4m直径的镜子。

DES将八分之一的天穹绘制到了前所未有的深度。它在2013年至2019年间拍摄了4色图像，目前正处于对这些图像进行科学分析的最后阶段。自2005年该项目启动以来，西班牙机构一直是该项目的一部分，除了在DECam的设计、制造、测试和安装以及数据采集方面进行了广泛合作外，迄今为止，西班牙机构还在DES科学管理方面承担着重要责任。