在大爆炸之后不久，就出现了微小的涟漪：在沸腾的热等离子体球体中产生的量子涨落。数十亿年后，这些种子已经成长为星系团——由引力束缚在一起的数百或数千个星系组成的庞大群体。
但似乎存在不匹配。去年发布的结果表明，与涟漪预测的星系团聚量相比，星系团质量有多达 40% 是缺失的。这些发现促使理论家们提出超越宇宙学标准模型的物理学，以弥补这种差异。但是，通过改进星系团质量的测量，可能会实现调和。
这种不匹配最初是由欧洲航天局的普朗克探测器探测到的，该探测器测量了宇宙微波背景辐射上印刻的涨落，并将其与它可以观测到的星系团进行了比较。“我们很多人都对这种差异感到好奇，”普林斯顿大学的天体物理学家大卫·斯佩格尔说，他使用普朗克的先行者——美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器研究了宇宙微波背景。“我们的理解中缺少了一些东西。”
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的有影响力的故事的未来。
一些理论家一直在研究中微子的特性——幽灵般的、几乎无质量的亚原子粒子——作为一种补偿方式。例如，在 2 月 6 日，伊利诺伊州芝加哥大学的物理学家胡韦恩和他的同事发表了一项理论，认为如果已知的三个类型的中微子比想象的更重，或者如果存在第四种尚未发现的中微子，则可以弥合这种不匹配。额外的中微子质量将对原始涟漪的增长产生影响，使其趋于平缓，并导致今天观测到的星系团数量减少。
现在，有两项研究表明，星系团的实际质量高于普朗克的估计——因此几乎不需要奇异物理学。一项研究正在准备中，另一项研究于 2 月 11 日发布在 arXiv 预印本服务器上。这两项研究都使用了引力透镜，这是一种通过测量星系团的引力场对穿过它们的光线产生多大程度的扭曲来称量星系团质量的技术。“我们认为没有问题，”加利福尼亚州斯坦福大学卡弗里粒子天体物理学和宇宙学研究所的天体物理学家安雅·冯·德·林登说。
图片来源：自然杂志
冯·德·林登参与了一个名为“为巨人们称重”的项目，该项目使用了位于夏威夷莫纳克亚山的斯巴鲁望远镜和加拿大-法国-夏威夷望远镜，研究了普朗克也测量过的 22 个星系团。该项目得出的平均星系团质量为 1015 个太阳质量，约为银河系质量的 1000 倍——这个平均值比 普朗克的估计高出 43%。另一项名为“哈勃星系团透镜和超新星巡天 (CLASH)”的研究，使用了哈勃太空望远镜测量了普朗克测量的 25 个星系团，得出的估计值比普朗克高出约 30%。
这些差异似乎归因于普朗克估计的不确定性，普朗克的估计依赖于一种称为 Sunyaev-Zel'dovich 效应的过程（参见“称量星系团”）。普朗克探测宇宙微波背景辐射的光子。在它们到达卫星的途中，一些微波会穿过星系团。在那里，它们会遇到与热气体云相关的活跃电子。当光子与电子碰撞时，它们的能量会被提升到更高的水平。
该信号的强度可以与星系团中所有星系的质量相关联，因为较大的星系团会捕获更多的热气体。但这并不是一个精确的关系。“这是最大的不确定性来源，”巴黎狄德罗大学的宇宙学家詹姆斯·巴特利特说，他是普朗克合作组织的一员。他说，普朗克将在今年晚些时候发布更新的分析报告，其中将微调其质量校准，并可能提高星系团的质量。
许多天体物理学家认为，剩余的差异将通过其他正在启动的透镜巡天调查的数据来解决。位于智利托洛洛山的 5000 万美元的暗能量巡天项目，是一架光学巡天望远镜，于 2 月 9 日完成了最初三个月的观测。它测量了数百个星系团，预计将在今年晚些时候发布首批科学成果。下个月，一台价值 5000 万美元的日本仪器 Hyper Suprime-Cam 将被用于在斯巴鲁望远镜上启动一项大型透镜巡天调查。
伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的天体物理学家布拉德福德·本森说，即使最终结果表明根本没有星系团质量缺失，追踪今天星系团从原始宇宙涟漪到现在的演变过程，以了解神秘的排斥力——暗能量的影响可能随时间发生的变化，仍然非常重要。“强大的数据集将是故事的下一个篇章，”他说。