天文学

地图l'Univers

这些星系在重力作用下相互作用,并逐步构成大型结构,一个巨大的发光丝宇宙网反映了宇宙的演化。这些星系的统计分布变得精确,暗物质也随之分布。

克里斯托弗·皮雄(Christophe Pichon)和蒂埃里·苏比(Thierry Sousbie) 科学档案N°71
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长期以来,世界地图上都带有原始空间的标记,这些原始空间位于各大洲中心或海洋以外的未开发地区。如今,全球的每个角落都已绘制完毕。剩下的就是去调查……宇宙的其余部分!这项任务看似艰巨,但由于计算和数据存储能力呈指数级增长,因此现在我们可以掌握这一任务。宇宙学是一门旨在绘制整个宇宙的学科,今天试图回答宇宙学的主要问题:宇宙内容的本质是什么,该内容是如何组织的?为此,我们有一些特权的证人-光子,中微子,非常高的能量粒子-漫游了宇宙。整个困难在于解释他们的信息。

在1950年代,查尔斯·唐纳德·沙恩(Charles Donald Shane)和卡尔·维塔宁(Carl Wirtanen)最早尝试绘制宇宙图。他们花了十年的时间列出了投影到近一百万个星系的天空上的坐标。这项工作非常费力,因为有必要测量它们在银色照相板上的确切位置。幸运的是,它并没有白费:这个目录在最初模型的形成中扮演了至关重要的角色,这些模型是宇宙巨大结构的形成。

实际上,星系并不是在空间上均匀分布的,而是大规模地组成星团,甚至是超级团簇。最初,这些大结构的存在是通过假设的湍流来解释的。但是,在1970年代和1980年代,出现了一个新的理论框架,其中引力独自起作用:所谓的分层模型。他推测,即使在几乎均匀的宇宙中,局部较稠密的区域(一块)在其自身重量的作用下也趋于坍塌,甚至会吸引周围的物质。随着时间的流逝,密度的最小波动被放大,相反,某些区域设法克服了由普遍膨胀而引起的稀释,从而集中。

分层模型被分割了-就像当时的世界一样! -在两所学校中:俄罗斯和美国,分别由天体物理学家Yakov Zeldovich和Jim Peebles拟人化。首先,较大的尺度波动首先会缩小,然后分解为较小的元素。在第二种情况下,首先形成星系,然后它们的稍微不均匀的分布导致它们聚集在越来越突出的星系团中。

两种流派在另一点上有所不同:初始密度异质性从何而来?作为天文学家所说的通货膨胀假说的一部分,维亚切斯拉夫·穆罕诺夫(Vyacheslav Mukhanov)和艾伦·古斯(Alan Guth)在1981年提出了一个假说,即年轻的宇宙短暂经历了指数膨胀阶段。两位天体物理学家独立地表明,这一阶段将导致原始气体在所有尺度上的密度都有轻微的波动。

1980年代初,俄罗斯人与美国人之间的分歧起源于对宇宙内容的不同假设。所有人都认为一个人怀疑存在数十年的失踪质量是由于存在大量的看不见的物质,因此被称为黑色。对于前者,这是由于中微子(它与物质很少相互作用的基本粒子)可能具有质量这一事实。这个质量一定很低-这就是为什么它尚未被发现-但足以解释观察结果,如果考虑到要给宇宙沐浴的大量中微子(我们今天知道这种质量的存在,但对宇宙的贡献很小。

暗物质:冷还是热?

据说这种暗物质很热,因为构成暗物质的粒子非常轻,它们移动得非常快(以相对论速度)。这种超快粒子的聚集往往会冲走早期宇宙中的小团块。因此,俄罗斯人设想了一个功率谱-根据其大小给出波动幅度的曲线-类似于光谱,为“红色”:在很长的长度上,密度波动比体积很小,因此,宇宙的结构必须从超团簇开始(这是自上而下的模型)。

相反,美国人偏爱“冷”暗物质,它由非常重而较慢的颗粒组成。我们有几个假设:要么是普通物质,但不发光(一群行星大小的暗星),或者中微子(如果质量足够的话),或者还未知的粒子。瑞士天体物理学家弗里茨·兹维克(Fritz Zwicky)于1930年代首先援引了这一暗物质,作为解释星团在星团内运动速度的一个临时组件,然后由荷兰天文学家路易斯·沃尔德斯(Louise Volders)证明。除非它们比以前假定的质量大,否则螺旋星系自身旋转得太快而无法稳定。

像普通物质一样,冷暗物质也容易形成致密团块。今天,人们认为它的分布大致类似于可见物质(集中在星团和星系本身中):可见物质将集中在暗物质潜在阱的底部。因此,通过研究可见物质的分布,我们将获得暗物质的近似分布。

在冷暗物质假说中,小范围的波动本来应该是很重要的,并且应该首先予以浓缩。这些通过收缩而分离的团块将形成矮星系,其随后的凝集将导致巨大的星系,然后形成星团(这称为自下而上的场景)。

层次模型的这两种替代方法会产生稍微不同的结果。在美国的情况下,该材料将在很大的范围内分成由长丝连接的节点。在俄罗斯人自上而下的模型中,它优先形成环绕着空白空间的大墙。因此,通过将它们与观察结果进行比较来检验这些假设变得很诱人。

天文学家很快就计算出统计学家所说的模型中星系的相关函数,并试图通过观察来做到这一点。此函数大约确定一个星系在给定距离处具有相邻星系的概率:对于与该星系彼此靠近的区域的大小相对应的距离而言,该概率较高,对于与该星系相对应的尺度而言该概率最小。空白空间的大小。最初的统计估计表明,将它们与描述整个宇宙的各种参数联系起来是可能的。当我们谈论大型结构的历史和形状取决于暗物质性质的假设这一事实时,我们看到了其中一种关系。它们还取决于趋向于使它们自身崩溃的引力与趋向于使其消失的宇宙膨胀之间的差异。

这项工作很快就变成了一个实际的行业,从那时起,该领域的理论进展也随之而来。望远镜直径不断增加(从四米增加到十米),并配备了越来越灵敏的相机。出现了多路复用光谱仪-光纤从同一图像的不同点提取光,以突然意识到那里存在的每个星系的光谱。星系光谱的红移取决于它所位于的距离(请参阅对页中的框)。现在,可以同时建立大量星系的三个坐标(天穹上两个,深度一个),而计算方面的进步使数据采集和处理自动化。

首批三维调查

1985年,巴黎天体研究所的Valériede Lapparent提出了第一个三维目录,其中包含约1100个星系,我们首次可以在其上区分大型结构。除了理论家所期望的定性证实之外,该第一张图还可以将测得的相关函数的形状与冷暗物质理论所预测的相关函数的形状进行比较。

然而,其他结果最终解决了有关暗物质“热”或“冷”性质的争议。 1992年,卫星 科比 绘制了第一张宇宙漫射背景图,该图构成了宇宙的图像,因为距大爆炸(甚至在星系出现之前)还有380,000年。该图上出现了微小的波动,其功率谱与热暗物质模型不兼容。但是,远没有让所有人都同意,宇宙学历史上的这段时期还是个大事。当我们开始使用层次模型解释宇宙中物质的分布时,每个新结果似乎都与前一个结果相矛盾。过一会儿 科比,卫星 会去 在近红外中建立银河外点源(远星系)的目录,我们在其中对大型结构在非常大的范围内的分布进行首次统计分析。大约在同一时间,对185个照相板的自动分析提供了将近300万个河外源的二维目录(投影到天空上)。数据显示与以冷暗物质为主的平坦宇宙不兼容-这是当下的标准模型,似乎已经证实 科比 -除非您将先前由爱因斯坦抛弃的宇宙常数(一种神秘的排斥力)重新引入该模型,否则大多数天文学家都不愿接受。

每个新的观察活动要么导致矛盾的值,要么导致模型中引入其他参数。有些测量甚至似乎与宇宙学的基本原理相矛盾,即宇宙在很大程度上是均质的和各向同性的!问题之一当然是分析方法具有统计性​​质,根据民意测验的表达,他们需要“代表性样本”,对太小体积的宇宙进行分析才能使我们概括地说,这只是意外。

在1990年代中期,随着Las Campanas调查的汇编(第一个广泛的谱位移目录(它是对天穹顶深度的度量))(液晶显示器),以智利的观测点命名。这是首次使用多路复用光谱仪和数码相机。这项调查表明,结构的最大尺寸是有限的,因此,我们最终将探查足够大的尺度,以允许对其属性进行统计测量。对理论的这种确认削弱了分形宇宙的假设,对于该分形宇宙,无法计算出平均密度。即使在这一点上,宇宙确实确实在(非常)大规模上具有统计上的统一性,即使这一点尚未确定下来(见T. Clifton和P. Ferreira的异质宇宙学,第106页)。

1998年,对遥远的超新星的研究(恒星爆炸的亮度足以使其在宇宙学距离内可见)表明宇宙的膨胀正在加速。为了解释这一点,天文学家们最终辞职,将宇宙常数(现在称为“暗能量”)重新引入模型中。考虑到它在分层模型中的作用,最终导致确定了今天称为协调模型的模型:观测宇宙学进入了成熟阶段,在此阶段,新经验巩固并完善了先前的测量方法。

平坦的宇宙

紧接着,关键太空望远镜计划在2000年确认了哈勃常数的值(该哈勃常数根据当地组距离的估算来衡量宇宙当前的膨胀速度)。探空气球 回旋镖最大值 突出显示宇宙辐射背景中最明显波动的表观大小。这一结果表明,这些原始块的图像并未因空间的几何形状而失真,并且我们的宇宙很可能是平坦的。根据广义相对论,这意味着其密度接近某个临界值。但是普通物质和暗物质距离它很远。大量的质量缺失了,因此必须归因于一个神秘的第三部分……它的贡献恰恰是为解释宇宙加速而引入的暗能量的贡献。

三年后,卫星 wmap 扩展结果 科比 并获得此漫射背景波动的高分辨率图。他的分析再次证实了这一结果,并证实了大爆炸的一致模型:一个由四分之一冷暗物质和三分之二以上暗能量组成的宇宙(我们所熟悉的物质和辐射不是仅占总数的5%)。

同时,光度读数2大众 获得了整个红外天空的地图,由于我们的银河在这些波长下具有相对的透明度,该地图还提供了有关宇宙大结构的信息。同时,在2000年代初,两次非常大的光谱学调查(也就是让我们记住“深入”)得出了他们的第一个结果。 “两度视野”团队(2度视野或2df)每幅图像测量400个星系光谱,并发布250,000个星系光谱位移。第二次“数字天体普查”,Sloan Digital Sky Survey-I(固态硬盘),每次曝光可测量600个光谱,最终可编辑近800,000个信息,这些信息还包括天穹上2亿个天文位置。有大量的类星体(星系的核心是如此活跃,以至于数十亿光年以外都可以看到它们),这要归功于我们对宇宙的深入探测。这次普查之后,又进行了两次使用同一望远镜进行的调查(固态硬盘i 从2005年到2008年,以及 固态硬盘ii 从2008年到2012年)。最后,程序 固态硬盘 已经识别出超过4.7亿个对象,并且最近发布了无与伦比的精度图像(请参见第78页的图);到最后,它将提供超过三百万个光谱。

现在,通过对这些读数的分析,可以非常精确地测量宇宙中物质分布的功率谱。它还可以对天文学家所谓的“偏见”进行非常精细的估算:从其光度推导出的结构质量与从其运动得出的结构质量之间的比率。换句话说,对暗物质对这些结构的贡献进行了独立测量。这些数据还告诉我们有关宇宙曲率及其密度的信息,在扣除暗物质之后,我们可以从中得出关于其所含暗能量总量的新度量。每次,结果都与以前的估计一致。

原始声波的轨迹

此外,我们在星系的“当前”大规模分布中发现了原始声波的痕迹,这些声波也与弥散背景的团块有关,这使我们感到欣慰,因为我们现在了解了原始波动是如何产生的。导致充满宇宙的伟大结构。正在进行的研究,包括该计划 老板 (重子振荡光谱调查)特别基于 固态硬盘,旨在加深这种理解。

天文学家并不打算在那里停下来。正在进行新的调查,以进一步“沉入”可观察宇宙的森林:欧洲调查 录像机 cfhtls,美国人 产品以及国际合作 宇宙。后者的目的是在不同波长下(从无线电域到X射线,通过可见光和红外光)观察两百万个物体,这些物体包含在同一区域内两个平方度的同一区域中。使用基于地面或太空的十几种仪器的天穹。我们希望通过比较不同物体在这些不同波长下的亮度来简单地估计它们之间的距离,这将避免经历光谱学的限制性技术,并有可能一次探测更大的空间。使用这些数据,一个国际团队已经着手重建暗物质(而不是星系光)的三维分布。观察第一次是追溯到1970年代引入的ad hoc组件的大规模几何形状。

哈勃望远镜的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜即将面世,这将为我们提供一种能够继续进行红外第一个星系普查的仪器(参见詹姆斯·韦伯太空望远镜,第46页)。最后,在不久的将来,我们将探讨甚至可能在第一个星系形成之前的宇宙大结构(请参阅A. Loeb的《黑暗时代的宇宙》,第38页)!为此,我们等待着射电望远镜等庞大网络的结果 洛法,他们于2011年初发布了第一张图片,然后 斯卡。当这些调查完成后,可观察到的宇宙的映射将结束...

在过去的30年中,我们对宇宙中银河系分布的看法发生了显着变化。我们想象过孤立的星系偶然地散布在周围,只是发现它们只是遍布宽阔,几乎空旷区域的几乎规则的细丝和壁网的组成部分。随着频谱偏移测量效率的提高和数据处理的自动化,宇宙的大规模制图不仅开始了,而且其许多特性也得到了统计表征。同时,数值模拟的快速改进使这些观测值与理论模型之间可以进行比较。

因此,近年来,天体物理学家终于就宇宙历史的新模型达成了共识。层次模型在获得这种连贯性和理解结构形成的机制中起着至关重要的作用。唯一的问题是,它包含两种成分-暗物质和暗能量-占宇宙质量平衡的95%,而我们几乎不知道这一切!稍微回顾一下一下,表明宇宙学每十年左右就受到一次革命的影响。最后一次发生在1998年...

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