超百萬個黑洞的3D地圖追溯宇宙暗物質的存在之處

2024-08-16科學

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新的Quaia 3D宇宙地圖有望為探索宇宙的結構提供重要的幫助

一個由百萬個黑洞組成的龐大地圖示記著宇宙中暗物質的所在地

在上方代表Quaia星表的3D影像中，每個小點都是一個類星體。中間的空隙是銀河系的平面，因擋住了視線讓天空一分為二

這張由蓋亞飛船提供的數據組譯而成的地圖顯示了暗物質在太空中的分布與宇宙微波背景輻射圖所述相吻合。

一張龐大的宇宙地圖由近130萬個類星體的位置拼湊起來構成；其中一些類星體在大爆炸後僅在15億年就存在了。

透過將這張新地圖與宇宙微波背景輻射（CMB）進行比較，科學家們大致驗證了宇宙中物質的分布和密度，為大型結構在宇宙歷史中的演化提供了更多線索。這張地圖基於1,295,502個類星體的位置和紅移的目錄，被稱為「Quaia」，這個名字是「類星體」（quasar）和「蓋亞」（Gaia）的組合詞，後者指的是歐洲航天局的蓋亞測量太空任務。蓋亞的主要目標是繪制銀河系中多達十億顆恒星的位置和運動，但在此過程中，它也觀測到了數百萬個背景星系和類星體。

西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心的凱特·斯托裏-費沙在一份聲明中表示：「我們能夠測量早期宇宙中物質聚集的方式，其精確度堪比一些大型國際調查專案的測量結果——考慮到我們的數據是來自以銀河系為重點的蓋亞專案的額外數據，這非常了不起。」斯托裏-費沙領導了繪制地圖的團隊，她在紐約大學攻讀博士學位期間開始了這個專案。

類星體為繪制宇宙地圖的人提供了極好的指導方針。類星體是活動星系的核心，這也是超大質素黑洞吞噬巨量物質的地方。雖然光逃不出黑洞，但落到黑洞上的物質會在黑洞口周圍螺旋的吸積盤中形成有序的佇列。這個吸積盤變得非常致密，氣體分子之間的摩擦使該區域的溫度升高到數百萬度，而磁場會攪動吸積盤中的帶電粒子，並以強大的噴流形式將其射出。當我們幾乎正面看到熱盤和噴流時，它們似乎比宇宙中的任何東西都更亮。因此，這種亮度使它們成為有用的尺度，即使在巨大的宇宙距離下也相對容易看到。

此外，類星體往往位於宇宙中最密集的暗物質團塊的中心。這挺合理的，畢竟是周圍暗物質暈的重力將所有物質吸引到類星體上，以供黑洞吸食。因此，透過繪制宇宙中最明亮的物體，我們也能繪制宇宙中最神秘的物質——隱形的暗物質。

斯托裏-費沙的團隊還將 Quaia 地圖中暗物質的分布和密度與 CMB 的溫度波動進行了比較，後者反映了宇宙誕生僅 379,000 年後物質的分布和密度。他們發現 Quaia 地圖中與密度相關的區域與我們在 CMB 中看到的大致相同（稱為 CMB 的物質功率譜）。隨著蓋亞釋出新數據，Quaia地圖也將進一步完善，可以為我們從 CMB 中了解到的資訊提供更嚴格的限制。