繪制局部宇宙網圖：暗物質圖揭示了星系之間的隱藏橋梁

量子認知

學者,科學領域創作者

暗物質是一種難以捉摸的物質，它無法透過電磁波的觀測進行研究，不與電磁力產生作用，目前只能通過引力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。

暗物質為宇宙學家所稱的宇宙網提供了骨架，宇宙網是宇宙的大規模結構，由於其引力的影響，決定了星系和其他宇宙物質的運動。但是，由於無法直接測量局部暗物質的分布，因此目前尚不清楚。相反，研究人員必須根據其對宇宙中其他物體，如星系的引力影響來推斷其分布。

一個國際研究人員團隊繪制了一張局部宇宙中暗物質的地圖，通過使用模型推斷出其位置，這是由於其對星系的引力影響（黑點）。這些每個橫截面的尺寸都不同的密度圖，再現了已知的突出的宇宙特征（紅色），還揭示了較小的絲狀特征（黃色），它們充當了星系之間的隱藏橋梁。
X表示銀河系，箭頭表示由於引力引起的局部宇宙運動。

局部宇宙中的新暗物質圖揭示了一些先前未發現的連接星系的絲狀結構。該地圖由該國際團隊通過機器學習技術開發而成，可以研究暗物質的性質以及我們當地宇宙的歷史和未來。

研究論文通訊作者、賓州州立大學天文學與天體物理學副教授鄭東輝說：“具有諷刺意味的是，由於暗物質的分布反映了很遙遠的過去，因此更容易研究更遠的暗物質的分布。隨著時間的流逝，隨著宇宙大規模結構的發展，宇宙的複雜性也隨之增加，因此固有地就難以對暗物質進行測量。”

先前繪制宇宙網的嘗試始於早期宇宙的模型，然後模擬了數十億年模型的演變。但是，此方法計算量大，到目前為止，尚無法產生足夠詳細的結果以查看局部宇宙。在這項新研究中，研究人員采用了一種完全不同的方法，即使用機器學習來建立一個模型，該模型使用有關星系分布和運動的信息來預測暗物質的分布。

研究人員使用稱為Illustris-TNG的大量星系模擬建立並訓練了他們的模型，其中包括星系、氣體、其他可見物質以及暗物質。研究小組專門選擇了與銀河系類似的模擬星系，並最終確定了預測暗物質分布所需的星系的特性。

鄭說：“當獲得某些信息後，該模型實際上可以根據之前的經驗來填補空白。” “我們模型中的地圖並不完全適合模擬數據，但是我們仍然可以重建非常詳細的結構。我們發現，除了分布星系外，它們的徑向奇特速度也大大提高了地圖的質量並允許我們看到這些詳細信息。”

然後，研究小組將他們的模型應用於Cosmicflow-3星系目錄中來自局部宇宙的真實數據。該目錄包含有關銀河系附近超過17,000個星系的分布和運動的綜合數據。

該地圖先後複制了本地宇宙中已知的著名結構，包括“局部表” ——包含銀河系的空間區域，“局部組”中的附近星系和處女座星團中的星系，以及“局部空隙” —與局部組相鄰的相對空白的空間區域。此外，它還確定了一些需要進一步研究的新結構，包括連接星系的較小絲狀結構。

鄭說：“擁有宇宙網的本地地圖，開啟了宇宙學研究的新篇章。” “我們可以研究暗物質的分布與其他發射數據之間的關系，這將有助於我們了解暗物質的性質。我們可以直接研究這些絲狀結構的銀河系之間的這些隱藏的橋梁。”

例如，有人提出銀河系和仙女座星系可能正在緩慢地相互靠近，但是尚不清楚它們是否可能在數十億年的時間內相撞。研究連接兩個星系的暗物質細絲可以為它們的未來提供重要的見識。

鄭說：“由於暗物質主導著宇宙的動力學，它基本上決定了我們的命運。” “因此，我們可以要求計算機對地圖進行數十億年的演化，以了解當地宇宙將發生什麼。我們可以及時地對模型進行演化，以了解我們宇宙中鄰居的歷史。”

研究人員認為，他們可以通過添加更多星系來提高地圖的准確性。計劃中的天文測量，例如使用韋伯太空望遠鏡可以添加尚未觀察到的微弱或小型星系以及距離較遠的星系。

該研究結果論文發表在今天的《天體物理學雜志》上。

參考：

https://phys.org/news/2021-05-local-cosmic-web-dark-reveals.html

Astrophysical Journal(2021).DOI: 10.3847/1538-4357/abf040

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