DESI 的首批結果對不斷膨脹的宇宙進行了最精確的測量

主要要點

• DESI 以前所未有的細節繪製了星系和類星體的地圖，創造了有史以來最大的宇宙三維地圖，並測量了宇宙在 110 億年內的膨脹速度。

• 這是科學家們第一次以優於 1% 的精度測量那個遙遠時期（80-110 億年前）的膨脹歷史，這為研究暗能量提供了一種強大的方法。

• DESI 僅憑第一年的數據就超越了以往所有三維光譜圖的總和，並證實了我們對宇宙最佳模型的基本要素——並在更多數據的探索中，留下了一些引人入勝的領域。

藉由山頂望遠鏡中 5000 個微型機器人，研究人員可以回溯 110 億年前的景象。來自遙遠太空物體的光線此時此刻才抵達暗能量光譜儀 (DESI)，使我們能夠繪製宇宙在其年輕時期的樣貌，並追溯其演變至今的過程。了解宇宙的演化與宇宙的終結息息相關，也與物理學中最大的謎團之一有關：暗能量，這種未知的成分導致我們的宇宙膨脹速度越來越快。

為了研究暗能量在過去 110 億年中的影響，DESI 創造了有史以來最大的宇宙三維地圖，並進行了迄今為止最精確的測量。這是科學家們第一次以優於 1% 的精度測量年輕宇宙的膨脹歷史，為我們提供了迄今為止對宇宙如何演化的最佳觀點。研究人員分享了他們第一年收集數據的分析結果，這些結果將於今天發佈在 arXiv 上，並在美國物理學會會議和義大利莫里昂德會議上發表。

「我們對這些數據感到非常自豪，這些數據產生了世界領先的宇宙學成果，也是新一代暗能量實驗產生的第一批成果。」DESI 主任、負責該項目的美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的科學家 Michael Levi 說。「到目前為止，我們看到的結果與我們對宇宙的最佳模型基本一致，但我們也看到了一些潛在的有趣差異，這些差異可能表明暗能量正在隨著時間的推移而演變。這些差異可能會隨著更多數據的加入而消失，也可能不會，因此我們很興奮很快就能開始分析我們三年的數據集。」

我們領先的宇宙模型稱為 Lambda CDM。它既包括一種弱相互作用的物質（冷暗物質，或 CDM），也包括暗能量 (Lambda)。物質和暗能量都會影響宇宙的膨脹方式——但方式相反。物質和暗物質會減慢膨脹速度，而暗能量會加速膨脹速度。每種物質的數量都會影響宇宙的演化方式。該模型很好地描述了先前實驗的結果以及宇宙在不同時期的樣子。

然而，當 DESI 的第一年結果與其他研究的數據相結合時，與 Lambda CDM 的預測結果存在一些細微的差異。隨著 DESI 在其五年調查中收集更多信息，這些早期結果將變得更加精確，從而闡明數據是否指向我們觀察到的結果的不同解釋，或者是否需要更新我們的模型。更多數據還將改善 DESI 的其他早期結果，這些結果涉及哈勃常數（衡量宇宙今天膨脹速度的指標）和稱為微中子的粒子的質量。

「以前沒有任何光譜實驗擁有這麼多數據，我們每個月仍在繼續從超過一百萬個星系收集數據。」伯克利實驗室科學家、該實驗的共同發言人 Nathalie Palanque-Delabrouille 說。「令人驚訝的是，僅憑我們第一年的數據，我們就能夠在宇宙時間的七個不同切片中測量宇宙的膨脹歷史，每個切片的精度都達到 1% 到 3%。團隊投入了大量工作來解決儀器和理論建模的複雜性，這讓我們對第一批結果的可靠性充滿信心。」

DESI 在過去 110 億年內對膨脹歷史的整體精度為 0.5%，最遙遠的時期（涵蓋過去 80-110 億年）的精度創紀錄地達到了 0.82%。對我們年輕宇宙的測量非常難以進行。然而，在一年內，DESI 在測量這些早期時間的膨脹歷史方面的能力是其前身（斯隆數位巡天計劃的 BOSS/eBOSS，耗時十年多）的兩倍。

「我們很高興看到 DESI 運行第一年產生的宇宙學成果。」美國能源部高能物理學副主任 Gina Rameika 說。「DESI 以其卓越的性能不斷讓我們驚嘆，並且已經在塑造我們對宇宙的理解。」

時光倒流

DESI 是來自世界各地 70 多家機構的 900 多名研究人員的國際合作項目。該儀器是在美國能源部科學辦公室的資助下建造和運行的，位於美國國家科學基金會的尼古拉斯·U·梅厄爾 4 米望遠鏡頂部，該望遠鏡位於基特峰國家天文台，是 NSF 的 NOIRLab 的一個項目。

觀察 DESI 的地圖，很容易看出宇宙的底層結構：星系聚集在一起的絲狀結構，被幾乎沒有物體的空洞隔開。我們非常早期的宇宙，遠遠超出了 DESI 的觀測範圍，與現在大相徑庭：那是一個熾熱、密集的亞原子粒子湯，移動速度太快，無法形成像我們今天所知的原子那樣的穩定物質。這些粒子中包括氫和氦原子核，統稱為重子。

這個早期電離電漿中的微小波動產生了壓力波，將重子移動到類似於將一把礫石扔進池塘中所看到的波紋模式中。隨著宇宙膨脹和冷卻，中性原子形成，壓力波停止，將波紋凍結在三維空間中，並增加了未來星系在緻密區域的聚集。數十億年後，我們仍然可以在星系的特性間隔中看到這種微弱的三維波紋或氣泡模式——一個稱為重子聲學振盪 (BAO) 的特徵。

研究人員使用 BAO 測量作為宇宙尺。通過測量這些氣泡的表觀大小，他們可以確定造成天空中這種極其微弱圖案的物質的距離。繪製附近和遙遠的 BAO 氣泡圖，使研究人員能夠將數據切成塊，測量宇宙在其過去的每個時間點的膨脹速度，並模擬暗能量如何影響這種膨脹。

「我們已經以超過以往所有 BAO 調查總和的精度，測量了這個巨大宇宙時間範圍內的膨脹歷史。」俄亥俄州立大學教授、DESI BAO 分析的共同負責人 Hee-Jong Seo 說。「我們非常興奮地了解這些新的測量結果將如何改善和改變我們對宇宙的理解。人類對宇宙有著永恒的著迷，既想知道它是用什麼構成的，也想知道它將會發生什麼。」

使用星系來測量膨脹歷史並更好地了解暗能量是一種技術，但它只能達到一定的程度。在某個點上，來自典型星系的光線太微弱了，因此研究人員轉向類星體，它們是極其遙遠、明亮的星系核心，中心有黑洞。來自類星體的光線在穿過星系際氣體雲時會被吸收，使研究人員能夠繪製緻密物質的區域，並像使用星系一樣使用它們——一種稱為使用「萊曼-阿爾法森林」的技術。

「我們使用類星體作為背光，基本上可以看到類星體和我們之間的干擾氣體的影子。」西班牙高能物理研究所 (IFAE) 的科學家、DESI 萊曼-阿爾法森林分析的共同負責人 Andreu Font-Ribera 說。「它讓我們看得更遠，看到宇宙非常年輕的時候。這是一個非常難以進行的測量，看到它成功真是太酷了。」

研究人員使用了 45 萬個類星體（這是為這些萊曼-阿爾法森林測量收集到的最大數據集），將他們的 BAO 測量結果一直延伸到 110 億年前。在調查結束時，DESI 計劃繪製 300 萬個類星體和 3700 萬個星系的地圖。

最先進的科學

DESI 是第一個進行完全「盲測分析」的光譜實驗，該分析隱瞞了科學家的真實結果，以避免任何潛意識的確認偏差。研究人員使用修改後的數據在黑暗中工作，編寫代碼來分析他們的發現。一旦所有工作都完成，他們就會將他們的分析應用於原始數據，以揭示實際答案。

「我們進行分析的方式讓我們對我們的結果充滿信心，尤其是在證明萊曼-阿爾法森林是測量宇宙膨脹的有力工具方面。」伯克利實驗室的科學家、DESI 光譜儀信息處理的共同負責人 Julien Guy 說。「我們正在收集的數據集非常出色，收集數據的速度也很快。這是我一生中進行的最精確的測量。」

DESI 的數據將用於補充未來的太空調查，例如維拉·C·魯賓天文台和南希·格蕾絲·羅曼太空望遠鏡，並為最近美國粒子物理學項目優先排序小組的一份報告中推薦的 DESI 升級版 (DESI-II) 做準備。

「我們正處於宇宙學的黃金時代，大型調查正在進行和即將開始，並且正在開發新的技術以充分利用這些數據集。」法國替代能源和原子能委員會 (CEA) 的研究員、DESI 解讀宇宙學數據小組的共同負責人 Arnaud de Mattia 說。「我們都非常渴望看看新的數據是否會證實我們在一年的樣本中看到的特徵，並建立對宇宙動力學的更好理解。」

DESI 得到美國能源部科學辦公室和國家能源研究科學計算中心（DOE 科學辦公室用戶設施）的支持。DESI 還獲得了美國國家科學基金會；英國科學與技術設施委員會；戈登與貝蒂·摩爾基金會；海辛-西蒙斯基金會；法國替代能源和原子能委員會 (CEA)；墨西哥人文、科學和技術全國委員會；西班牙科學與創新部；以及 DESI 成員機構的額外支持。

DESI 合作項目榮幸地被允許在 Iolkam Du'ag（基特峰）進行科學研究，這座山對托霍諾·奧奧丹姆民族具有特殊的意義。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。