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科学家绘制宇宙时空结构 旨在探索冷暗物质之谜

http://www.kexue.com 2012-09-26 10:02:32 腾讯科学  发表评论

科学家绘制宇宙时空结构 探索冷暗物质之谜
本星系群的计算机模拟图像,每边长3.7亿光年显示了2微米红移巡天观测的星系位置与穿过“隐带”的随机分布星系
科学家绘制宇宙时空结构 探索冷暗物质之谜
本星系群部分星系时空分布位置示意图

  德国天文学家开发了一种新的人工智能算法,凭借前所未有的精确度来绘制和解释环绕在我们周围时空的宇宙结构和动力学系统。本项研究由位于德国北方城市波茨坦的莱布尼茨天体物理学研究所科学家弗朗西斯科·西萨拉(Francisco Kitaura)博士领导,该研究团队将最新研究成果发表在英国皇家天文学会的每月通告上。科学家们以往总是使用大型望远镜来浏览天空,为成千上万的星系绘制坐标和测算距离,从而构造出大范围的宇宙结构图。

  但是,天文学家所观测到的分布情况是有趣也难以解释的,因为宇宙中分布的庞大星系(团)不但形成复杂的“宇宙网”,而且星系之间还分布着相互连接的细丝和大片的真空区域。图中显示了本星系群宇宙空间的图像数据,所绘制的图像对应宇宙天区为每边长3.7亿光年,红色的圆圈标记了星系的位置,由2微米红移巡天(2MRS)观测,该计划对超过4.5万个星系的位置和距离进行了测量。蓝色的圆圈为穿过“隐带”(银河系周围聚集星际物质的不规则带)一些随机分布的星系。

  如此多样时空结构的驱动力是万有引力,其来源由两部分组成:首先,构成宇宙的5% 是“正常”物质,这些物质构成了恒星、行星、尘埃和其他可见的物质,其次的23%是不可见的“暗”物质,除此之外宇宙中72%由神秘的“暗能量”构成,而不是此前经典理论所认为的由可能导致宇宙加速膨胀的引力统治着。这三种构成宇宙的组分在一个被称为Λ-冷暗物质(Lambda-CDM)的模型中被提及,引入了宇宙学常数来解释导致宇宙加速膨胀的暗能量,使得宇宙大尺度结构和3K辐射理论可完整描述。

  测量宇宙大爆炸的余热让天文学家能够确定包括银河在内的星系演化动态模型,这种余热被称作是宇宙微波背景辐射,这是大约在137亿年前宇宙大爆炸之后发出并弥散在宇宙空间中的电磁辐射,也可以称为3K辐射。天文学家试图通过对我们周围物质的分布情况及其相互间的万有引力来研究这种动态,但该情况被绘制同一区域内暗物质所制约,因为后者难以统筹到该体系之中。

  将暗物质分布情况与星系之间相互对应符合就如同在绘制欧洲地图时,使用只显示夜晚人口密集地区亮光的卫星地图。为了解决这个问题,研究人员开发出一种基于人工智能的新型算法,其依据宇宙微波背景辐射并可观察到宇宙密度波动的影响,最后显示出从137亿年前的宇宙大爆炸时期至今天星系的演化过程,新的人工智能算法可看到星系分布与运动之间的关系。

  弗朗西斯科·西萨拉博士认为我们的精确计算结果显示星系的运行方向和80%星系的运动速度,其中一些星系组成了我们的本星系群并可由引力来解释它们的行为。本星系群中的星系数量超过了五十个,包括了银河系、仙女座大星系等。通过对本星系群中星系运行速度的比较,如仅距离250万光年外的仙女座大星系,科学家发现了在遥远距离上物质的分布情况对靠近银河系星系群的影响程度。

  科学家的研究成果也与Λ-冷暗物质(Lambda-CDM)模型的预测相符,为了解释星系剩余的20%速度,我们需要考虑在4.6亿光年外宇宙物质分布通过宇宙大尺度结构对本星系群产生的影响,但目前的数据在如此超距离上并不太可靠。尽管这样,我们的预测模型还是前进了一大步,在人工智能技术的帮助下,我们以前所未有的精确性推演本星系群在宇宙大尺度结构的物质分布上所产生的影响,并研究宇宙大尺度结构是如何应运而生的。(Everett)

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