打破纪录的3D宇宙图揭示了一些大惊喜

宇宙是由什么构成的？今天它的扩张速度有多快？扩张速度会随着时间变化吗？如果我们能够知道这些问题的答案，那么我们将了解宇宙的过去历史和未来命运。然而，即使我们对宇宙本身进行了最佳测量，不同的方法也无法给出相同的答案。测量宇宙大爆炸的剩余辉光，宇宙微波背景会给我们一组答案，而测量恒星，星系和超新星则会给我们一个不同的，不相容的答案。可以说，这种差异是现代宇宙学中最大的难题。

但是，借助超过二十年的数据以及详尽的3D地图（超过200万个星系），斯隆数字天空调查可能会帮助我们最终解决这一宇宙之谜。这些星系在各个方向上分布了超过190亿光年，相当于我们不断扩展的宇宙中超过110亿年的宇宙历史。但是，它是由什么制成的呢？今天它的扩展速度有多快？我们还学到了什么，天体物理学接下来会做什么？这是一个了不起的故事。

如果可以的话，请想象一下宇宙大爆炸初期的宇宙。在最初的几分钟内，亚原子粒子之间可能发生核聚变，产生轻元素，如氢和氦的各种同位素。在随后的几年中，引力的作用是将物质（正常物质和暗物质）拉入密度最大的区域，而辐射对正常物质（与之相互作用）的推回与暗物质（与之相互作用）不同。 t）。

被重力吸引而被其他相互作用推出的这种效果会在正常物质的密度中产生类似波浪的效果。数十亿年后，在宇宙膨胀并形成恒星和星系之后，仍然可以看到这些波浪：它们被烙印在宇宙本身中。如果您将手指放在任意随机的星系上并提出问题，“我有多大可能在某个距离之外找到另一个星系”，那么您不仅应该能够绘制出这些波的影响，而且还能看到随着宇宙的扩展，影响如何变化。

例如，在我们附近的宇宙中，自大爆炸以来已经扩展了138亿年，我们已经测量了星系如何聚集在一起。您可以想象从一个星系开始，然后设置一个不可见的“标尺”来测量该星系与您可以找到的所有其他星系之间的距离。平均而言，您会发现：

• 您可能会发现一个与您自己的星系接近的星系，因为引力很有吸引力，
• 随着您走得越远，您（逐渐）发现另一个星系的可能性就越小，
• 直到您遇到了在早期的宇宙中留下的那个“波浪”特征。

这意味着，今天，如果您绘制一条平滑的曲线来表示找到另一个星系的可能性，那么波浪特征意味着您实际上比找到一个距离我们5亿光年的星系更容易。 d预计，但不太可能找到1亿4亿或6亿光年。

这个烙印有一个名字：重子声振荡，因为它是在宇宙的大尺度结构上印上压力波（声振）的正常物质（重子）。

计算效果是一回事，我们可以从理论上做到这一点。这是附近的测量效果的另一件事，这是自它于1998年开始科学运作斯隆数字巡天一直在做，但它是一个巨大的飞跃，以衡量这一切在整个宇宙，在广大宇宙的历史，这是什么最新版本刚刚完成。

原因很简单：随着宇宙的膨胀，声标的大小会越来越长。

换句话说，如果您不仅可以绘制出宇宙中的星系，而且还可以绘制出远处的星系，那么您可以测量宇宙随着时间的推移是如何扩展的。遇到许多挑战，包括：

• 很难看到遥远的星系，因为它们较暗，
• 很难分辨彼此接近的单个星系，
• 很难在第三（深度）维度上绘制距离，
• 其他影响也会发挥作用，从而使我们的结论产生偏差。

仅通过查看离地球最近的星系团：处女座团团就可以看到一个简单的偏见例子。

处女座星系团是一个庞大的星系集合，其中有1000多个，位于约50到6000万光年之间。我们可以采取几种测量方法来帮助我们了解银河系的距离：我们可以测量其亮度，可以测量其表观大小，还可以测量其红移。红移测量是一个重要的组成部分，因为它告诉我们这个物体似乎快退离了我们，这是理解宇宙如何扩展的重要组成部分。

但是，任何特定星系都会发生红移的原因有两个：大范围的宇宙膨胀（均等地影响所有星系）和引力的影响。当您拥有大量质量的物体（例如星系团）时，它会导致其中的各个星系非常快速地移动，包括沿着我们的视线方向移动。天文学家将其称为特殊运动，该运动叠加在不断扩展的宇宙上方。如果我们要画出星系在哪里，而忽略了这种影响，我们会发现它们的推断位置是不正确的。

实际上，看到这种效果的第一个情节导致了这些红移空间扭曲的名字非常吸引人：上帝的手指。

但是，只要对宇宙有足够的了解，我们就可以纠正这种影响，并将我们的地图从有偏差的“红移空间”转换为消除了这种偏差的“真实空间”。斯隆数字天空调查的最新结果不仅利用了史无前例的最大距离上前所未有的大量星系，而且还采用了我们知道如何在现代宇宙学中进行的全套校正。我们可以比以往任何时候都更有信心，正如我们所看到的那样，它反映了宇宙的实际状况。

就数据而言，我们之前从未有过这样的事情。在最近的20亿年中，我们获得了来自附近的星系的光线，这些光线是在斯隆数字天空调查（1998-2008）的头十年绘制的。除此之外，我们还有古老的红色星系，它们将我们带离了过去2到70亿年。除此之外，还有从6到80亿年前的年轻蓝色星系，类星体从大约70亿年前一直延伸到110亿年前。更甚者，从110亿年到120亿多年前，我们有一个星系样本从其氢原子发出光，就结构形成而言，这使我们比以往更早了。

扩展的重子振荡光谱调查（eBOSS）项目的调查科学家Will Percival表示： “综合起来，对eBOSS地图的详细分析和早期的SDSS实验现在提供了最广泛范围内最准确的膨胀历史测量结果这些研究使我们能够将所有这些量度与宇宙膨胀的完整故事联系起来。”

然而，我们所学到的故事在许多方面令人欣慰-它独立地确认了我们认为是正确的许多事情-但它为宇宙的许多方面提供了令人惊讶的启示。

令人惊讶的结果非常重要。首先，他们发现暗能量与宇宙常数非常一致：没有充分的证据表明暗能量会随着时间而变化或随空间变化。其能量密度随时间保持恒定。另一个令人振奋的确认是，宇宙在空间上具有令人难以置信的平坦度：其最大允许曲率仅为临界密度的0.2％，这一约束比去年有争议的宇宙可能封闭而不是平坦的说法强20倍。

还有其他令人惊讶的结果，也代表了我们的了解在逐步提高。我们仍然没有在宇宙的大规模结构中看到中微子的烙印，将它们的总质量（电子，介子和tau中微子的总质量）限制为小于0.11 eV，这意味着电子必须处于比三个中微子质量的总和重至少460万倍。他们发现一个拥有70％暗能量和30％总物质（正常物质和暗物质合计）的宇宙，两个数字的不确定性仅为〜1％。

但是，最大的意外结果来自尝试测量宇宙的膨胀率。请记住，对此存在巨大争议，因为单独测量到物体的距离的团队（称为“距离阶梯”方法）始终获得72-75 km / s / Mpc的值，但是始终使用“宇宙微波背景”的团队获得介于66-68 km / s / Mpc之间的值。

在不吸引其他两个数据集中的任何一个的情况下，这项最新研究的最佳结果产生了68.2 km / s / Mpc的扩展速率，因此强烈需要具有暗能量的宇宙。

但是有一个陷阱。您必须在某个时候提供一个值，以回答“在这个特定时间宇宙有多大？”的问题。您可以使用“宇宙微波背景”中的数据来完成此操作，该数据是上图中的窄灰色椭圆形。但是这样做会破坏拥有独立数据集的目的，就像使用“距离阶梯”椭球体（紫色）会导致拥有独立数据集一样。

这就是团队使用BBN的数据：大爆炸核合成的原因。通过测量在大爆炸之后不久产生的各种氢和氦同位素的丰度，我们可以得到不依赖于其他任何测量结果的膨胀率约束。即使存在一些摆动空间，也很明显，该数据有利于宇宙微波背景的较低扩展速度。这并不能解决我们关于宇宙扩展速度的宇宙难题，但会进一步加深它，为阵营添加了一个引人注目的新数据集，有利于降低其价值。

宇宙不是在最大尺度上弯曲的，而是在空间上平坦到500的499个零件：有史以来最严格的约束。宇宙不仅需要暗能量，而且占宇宙的70％，与宇宙常数完全一致。在其他30％中，有25％是暗物质，只有5％是正常物质，宇宙以68.2 km / s / Mpc的速度扩展。这是基于从附近观察到的超过200万个星系到相距超过190亿光年，相当于超过110亿年的宇宙历史。

在未来几年中，暗能量光谱仪（DESI）将带我们进入数千万个星系，随着ESA的Euclid，NASA的WFIRST和NSF的地面Vera Rubin天文台的发射，我们将取得更大的进步。现在，有三个主要参与者在测量宇宙的膨胀：宇宙微波背景，宇宙距离阶梯以及宇宙大尺度结构中的声波振荡。第一种和第三种方法彼此一致，但是第二种却不同。直到我们弄清楚为什么，连同暗物质和暗能量之谜，这将仍然是