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  美国科学家近日成功地绘制出了全宇宙最大的三维彩色地图,以便更好地了解宇宙的起源和演化,以及物质组成。自2000年以来,三个斯隆数字巡天观测仪(Sloan Digital Sky Surveys,SDSS)对超过四分之一的夜空进行了细致观测,绘制了宇宙三维彩色地图。

  现在,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家和斯隆数字巡天观测仪(简称SDSS)的研究人员,与能源部的国家能源研究科学计算中心 (National Energy Research Scientific Computing Center,简称NERSC)合作,利用这些视觉观测信息对物质如何聚集在一起进行最精确的计算,从宇宙的年龄只有现在的一半时算起。伯克利实验室和卡内基·梅隆大学的天体物理学家雪莉·何(Shirley Ho)领导此项研究,她说:“星系在太空广阔的区域内聚集在一起的方式,告诉我们普通可见物质和潜在的无形的暗物质在空间如何分布。分布方式暗含宇宙如何扩大的信息,使科学家能够计算宇宙的物质基础:多少暗物质,多少暗能量,以及很难观测到的中微子的质量。剩下的就是我们所熟悉的普通物质和能量。”

  对于目前的研究,雪莉和她的同事首先从重子振动光谱分析仪(Baryon Oscillation Spectrographic Survey,BOSS)收集的超过150万个这样的星系中选择90万个发光星系。重子振动光谱分析仪是SDSS III的最大组成部分。这些大多是古老的红色星系,只包含红色的恒星,因为所有快速燃烧的恒星早已不复存在,它们格外明亮,在很远的距离就可见。此项研究选择的星系填充了太空最大部分的空间,用于星系团测量。其亮度用五种不同的颜色衡量。

  加州大学伯克利分校的物理学和天文学教授、重子振动光谱分析仪科学调查队的主席马丁·怀特(Martin White)说:“覆盖如此大面积的天空,这些测量能够在令人难以置信的广阔尺度上探测星系簇,给我们提供前所未有的条件推测宇宙扩张和演化的历史。我们现在在大尺度上测量的集群还包含我们在地图上看到的宇宙结构起源和膨胀时期的重要信息,它可以帮助我们限制或排除早期宇宙的模型。”

  该研究小组绘制的全宇宙最大三维彩色地图表明,暗能量占宇宙密度的73%。

  雪莉说:“最大尺度的大规模物质聚集的方式以角功率谱(angular power spectrum)表示,显示天空密度变化。功率谱提供了丰富的信息,其中大部分尚未被利用。例如,可以得出关于宇宙膨胀的信息,宇宙在大爆炸后不久,如何迅速扩大,可以从功率谱得出。”

  密切相关的功率谱是“标准的尺度”,它可以用来测量宇宙膨胀的历史。雪莉解释说:“在早期宇宙中,宇宙大爆炸后不久,宇宙以热和光子为主,辐射基本粒子,但是,随着它扩大,开始过渡到由物质主导的宇宙。大爆炸之后约5万年,物质和辐射的密度都是相等的。只有当物质占优势才有可能形成结构。”

  约5万年后物质开始占据主导地位,大爆炸之后约30万年终于冷却,物质和光以不同的方式存在。由于密度不同,导致光波在温度的不断变化下形成不同的形式。同时,光的分布可作为宇宙微波背景(CMB)的温度变化的检测方式。雪莉说,“我们的研究产生了最精确的光度测量。使用新数据,我们可以追溯到宇宙只有现在一半年龄时的状态。”

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