最古老的光，被最暗的物质扭曲了
The following article is from 原理 Author 不二北斗
几千年来，星空的魅力激发了无数人探索宇宙秘密的愿望。虽然人们发展了许多模型来解释宇宙，但利用定量方法来科学地深入了解宇宙的演化和结构的宇宙学领域，相对来说还处于萌芽阶段。宇宙学的基础是在20世纪初，基于爱因斯坦提出的引力理论——广义相对论的发展而建立起来的。
在一项最新的研究中，阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）合作组的研究人员通过测量宇宙中可探测到的最古老的光所经过的扭曲路径，以无与伦比的精度绘制了宇宙中暗物质的分布。这幅开创性的宇宙图像，显示了整片天空的四分之一的最详细物质分布图，它证实了爱因斯坦的引力理论，并为暗物质的本质提供了新的见解。
位于智利安第斯山脉的ACT。（图/Mark Devlin）
最暗的物质
自20世纪30年代以来，我们就已知道，我们所看到的一切并非全部。通过测量星系的自转速度，我们了解到，一定存在某种看不见的物质的引力将星系维系在一起，否则星系会分崩离析。这种看不见的物质被称为暗物质。
尽管计算表明暗物质占宇宙质量的85%，但它至今难以被探测到，因为它不会与光或其他形式的电磁辐射发生相互作用。据科学家目前所知，暗物质只与引力相互作用。
最古老的光
为了追踪暗物质的位置，ACT合作组的160多名研究人员聚焦于四分之一片天空，他们仔细观测了138亿年前，也就是在宇宙诞生后不久发出的光。
这些光起源于宇宙大爆炸后38万年左右，从那时起，它们就从四面八方向我们飞驰而来。宇宙学家将这种光称为“宇宙的婴儿照”，其更正式的名字为宇宙微波背景（CMB）。
CMB是宇宙中最古老的光的快照。在大爆炸后的约38万年，宇宙中的质子和电子结合形成原子，使光可以自由地在宇宙中穿行，形成了CMB。CMB显示了密度略有不同的区域的微小温度波动，代表了所有未来结构（比如恒星和星系）的种子。（图/ESA and the Planck Collaboration）
光的路径被扭曲了
CMB从出发到抵达地球的路径并不是一条直线。根据广义相对论，当光在宇宙中传播时，如果光经过了具有很大引力的天体（比如星系团或暗物质团），光的路径会发生弯曲。
引力透镜现象发生在光经过大质量物体时。图中显示的是一个简单的棋盘图案（左）被紫色团块扭曲了，导致了右侧ACT捕捉到的图像发生了畸变。天文学家在遥远的光中寻找这些畸变图像，以描绘出暗物质的分布。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）
通过分析这种畸变，科学家可以计算出我们与光源之间潜伏着多少质量。因为我们能看到普通物质，因此任何无法解释的质量就一定是暗物质。
CMB已经传播了上百亿年，见证了恒星、星系和星系团的形成。这些大质量物体的引力场影响了CMB的传播路径。图中所示的左边是大爆炸，波浪线代表了由暗物质和星系的普通物质引起的畸变，右边显示的是ACT接收到的畸变图像。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）
暗物质的分布图
在这项研究之前，科学家也曾绘制过这样的物质分布图。第一张是由ACT在2013年绘制的，随后SPT南极点望远镜和普朗克卫星也进行了这样的绘制。这一次，在新数据和经过改进的分析技术的帮助下，ACT团队获得了更高的精确度。由于ACT是一架地基望远镜，因此研究人员必须考虑地球大气中原子和分子发出的光。
研究人员花了大量的精力来寻找一个既能够精确地描述来自大气的噪声，又能确保任何残存的错误噪声建模都不会对结果产生影响的模型。最终，他们得到了灵敏度更高、噪声更少的更好的图像。
ACT捕捉到的光被用来制作CMB透镜质量图，这是所有在CMB光的路径上的物质的可视化。橙色区域表示质量更大的区域，紫色表示质量更小。这些典型的特征都有着数亿光年宽。灰白色显示的是由普朗克卫星测量到的银河系中的尘埃发出的污染光，它们遮挡了视野。（图/ACT Collaboration）
宇宙学危机的新见解
精确性的提高和噪声的减少，为正在进行的被称之为“宇宙学危机”的辩论提供了新的见解。当研究人员使用星系中的恒星发出的光，而非CMB来绘制物质分布图时，这种危机就出现了——那些观测所产生的结果表明，在宇宙学的标准模型下，暗物质没有足够地集中在一起。这种差异引发了人们的担忧，认为标准模型是错误的，且爱因斯坦的引力理论并不能解决这个问题。
然而，从ACT获得的最新结果能够准确地评估出，在物质分布图中看到的巨大块状物的大小，是完全正确的。这意味着，测量结果与基本理论是非常吻合的，并没有出现偏离引力的现象。换句话说，这些结果没有产生新的物理学，并排除了很多“非爱因斯坦”引力模型。这样的结果让很多人松了一口气。
#创作团队：
撰文：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.simonsfoundation.org/2023/04/11/map-of-space-time-distortions-reveals-universes-dark-matter-distribution-proving-einstein-right/
https://www.princeton.edu/news/2023/04/11/new-map-universes-cosmic-growth-supports-einsteins-theory-gravity
https://www.cam.ac.uk/research/news/new-findings-that-map-the-universes-cosmic-growth-support-einsteins-theory-of-gravity
https://penntoday.upenn.edu/news/new-findings-reveal-most-detailed-mass-map-dark-matter
https://www.utoronto.ca/news/detailed-map-matter-cosmos-confirms-einstein-s-theory-general-relativity-astronomers-say
#图片来源：
封面图：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
首图：ACT Collaboration
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