新证据表明黑洞推动了宇宙的膨胀

新证据表明黑洞推动了宇宙的膨胀自20世纪20年代末以来，天文学家就知道宇宙正在膨胀，几十年来，人们认为这种膨胀的速度会随着时间的推移而减慢。毕竟，引力将事物拉得更近，而宇宙中所有物质的引力被认为是在拖累一切。但是在20世纪90年代，使用哈勃太空望远镜的天文学家们有了一个意外的发现--完全相反的情况正在发生。一个物体离我们的制高点越远，它似乎离我们越快，这表明宇宙的膨胀正在随着时间的推移而加速。在当时的模型中没有任何解释，一种被称为"暗能量"的力量被提出来，它以越来越快的速度将一切事物从其他事物中推开。从那时起，天文学家一直在寻找这种暗能量的迹象，根据它似乎具有的特性。而在一项新的研究中，一个国际科学家小组声称已经发现了暗能量可能藏身的地方--黑洞内部的证据。与我们可能认为的相反，真空并不是完全空的-随机的量子波动产生了所谓的真空能，它施加了一种向外的压力，可以对抗引力并驱动宇宙的膨胀。在一些模型中，可以在黑洞中发现真空能，而在新的研究中，研究小组首次发现了这方面的观测证据。天文学家们首先研究了过去90亿年来星系中心的超大质量黑洞的演变。这些黑洞主要通过吞噬尘埃、气体、恒星和其他黑洞来获得质量，但在一些星系，即所谓的巨椭圆星系中，这种原料会枯竭。那么应该可以预期，椭圆星系中的超大质量黑洞会停止增长。研究人员将遥远的椭圆星系中这些黑洞的质量（人们看到的是数十亿年前的样子）与那些在空间和时间上更接近我们的黑洞进行了比较。果然，现代椭圆星系中的超大质量黑洞比90亿年前的质量要大7到20倍。这表明，超大质量黑洞也可以通过其他机制获得质量。而如果它们含有真空能量，它们将既促进宇宙的膨胀，又从这个过程中获得质量，这种现象被称为宇宙学耦合。研究小组说，这是黑洞含有真空能量的第一个观测证据，当他们计算数字时，他们发现这可以解释今天在宇宙中测量的暗能量的数量。虽然不乏其他暗能量来源的建议，但该团队表示，这个新模型可能是最简洁的。这是因为它不需要在我们现有的模型中加入任何新的元素--正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，这个缺口可以由黑洞来填补。新模型还解释了另一个宇宙学难题。在目前的模型中，黑洞被认为是将落入其中的一切压缩成一个无限密集的奇点，一个物理定律崩溃的点。它们在数学上应该是不可能的，所以物理学家要么为它们找到变通办法，要么认为它们意味着我们的模型是不完整的。但是如果黑洞含有真空能量，奇点就不再需要存在，这可能是我们理解上的一个重大突破，也是新模型的进一步证据。尽管这项研究耐人寻味，但还需要进一步的研究和观测来证实这个模型。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345337.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345337.htm

欧几里得：勘测整个宇宙以了解暗物质和暗能量的太空望远镜

欧几里得：勘测整个宇宙以了解暗物质和暗能量的太空望远镜这项任务原本计划使用俄罗斯的联盟号火箭从欧洲法属圭亚那的太空港发射，但在俄罗斯入侵乌克兰之后，欧空局和俄罗斯之间的合作被停止了。因此，取而代之的是该望远镜从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射，于美国东部时间7月1日星期六上午12点11分升空。该望远镜将前往一个名为L2的轨道，即第二个拉格朗日点，这与詹姆斯-韦伯太空望远镜和其他太空望远镜使用的轨道相同。这一轨道具有高度的稳定性，对于像"欧几里德"这样旨在收集极其详细的宇宙观测数据的任务来说尤为重要。如果行程顺利，欧几里德应该在四周内到达L2，然后进行两个月的准备工作，然后在10月初左右开始科学观测。在被封装在SpaceX猎鹰9号整流罩中后，2023年6月29日，欧几里德号被运往美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角航天发射场（SLC-40）图/欧空局欧几里德号将对宇宙进行广泛和深入的调查，将图像拼接在一起，创建一个宇宙地图，以帮助了解两个神秘的概念：暗物质和暗能量，前者约占存在的一切的27%，后者约占宇宙的68%。我们可以观察到的每一个原子、分子和物质都构成了剩下的5%的微小物质，被称为普通物质或重子物质。该望远镜正前往詹姆斯-韦伯太空望远镜所使用的相同轨道。我们知道，暗物质和暗能量必须存在，因为星系的运动和宇宙的扩张方式。然而，它们是非常难以研究的，因为暗物质不与光互动，而暗能量是一种未知的能量形式。所以要找到它们的证据，我们需要在一个非常大的范围内寻找。欧空局欧几里德项目经理朱塞佩-拉卡在一次新闻发布会上解释说："如果你想研究宇宙学并观察整个宇宙，你需要进行一次大调查，而欧几里德是专门为此设计的，它的望远镜角度非常广，可以在很短的时间内覆盖大部分可以观察到的宇宙。"携带欧空局欧几里德任务的SpaceX猎鹰9号火箭欧几里德望远镜将在其六年的任务中观测36%的天空，为了观测这么大的区域，望远镜需要有一个非常宽的视野。这是指通过望远镜可以观察到的天空面积，欧几里德的视野相当于是月球大小的2.5倍。与之相比，比如说哈勃太空望远镜，它的视场只有月球的1/12大小。哈勃可以对星系或星云等物体进行非常详细的成像，但是哈勃需要花费大约1000年的时间来勘察与欧几里德相当的天空区域。我们知道，暗物质和暗能量必须存在，因为星系的运动和宇宙的扩张方式。如果你想知道为什么"欧几里德"只勘测三分之一以上的天空，那是因为在天空的其他区域不可能看到遥远的星系，因为这些遥远的物体被我们银河系内较近的恒星和尘埃所阻挡。欧几里德将有两台仪器：可见光仪器或VIS，在可见光波长下工作；近红外光谱仪和光度计或NISP，在近红外下工作。覆盖这两个波长使研究人员能够看到被红移的星系，这意味着由于它们正在远离我们，来自它们的光线被移向光谱的红端。通过结合这两台仪器的观测结果，欧几里得的观测结果可以被用来创建一个显示宇宙中可见物质分布的三维地图。但是暗物质是不可见的--这就是为什么它如此难以研究。它不能被直接观察到，但可以通过观察我们能看到的物质的分布来推断它的存在。欧空局"欧几里德"任务的直径为1.2米的主镜，用于揭开黑暗宇宙的面纱，在组装、整合和测试期间可以看到欧几里德项目科学家RenéLaureijs解释说："暗能量和暗物质通过它们对可见宇宙中物体外观的非常微妙的变化来显示自己。"欧几里德项目使用的研究暗能量和暗物质的两种主要方法是弱透镜和星系聚类。使用两种方法来研究同一事物，使研究人员能够相互检查他们的结果，希望能得出更准确的结论。引力透镜是一种效应，在这种效应中，像星系或星系团这样的非常大的物体的引力使时空扭曲，就像一个放大镜，改变来自前景物体后面的遥远物体的光线。这张图片说明了欧几里德的测量结果如何被用来推断暗物质在整个宇宙中的分布方式。通过观察这种透镜效应有多强，科学家可以计算出前景物体的质量--他们可以将这个计算出来的质量与前景星系中可见物质的质量进行比较。如果计算出的质量和观察到的质量之间有很大的差异，这就表明前景中存在大量的暗物质。另一个效应-星系集群，指的是星系在宇宙中的三维分布情况。随着宇宙的扩张，星系正在远离我们，导致红移。科学家可以利用一种叫做重子声学振荡的现象，将星系的实际距离与它的红移进行比较，这可以显示宇宙膨胀的速度--这与暗能量直接相关。结合起来，这些方法应该能帮助宇宙学家比以往更多地了解暗物质和暗能量。为了收集这些数据，欧几里德号将在其任务期间从120亿个物体中拍摄大约100万张图像。这应该使我们离能够探测和研究这些难以捉摸的现象，以及了解我们周围宇宙的构成更近一步。"它不仅仅是一个空间望远镜，"Laureijs说，"它实际上是一个暗能量探测器。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369027.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369027.htm

人工智能在突破性研究中推断出暗能量的影响和特性

人工智能在突破性研究中推断出暗能量的影响和特性暗能量是加速宇宙膨胀的神秘力量，被认为占宇宙内容的70%左右（暗物质是看不见的东西，它的引力牵引着星系，占25%，正常物质只占5%）。主要作者尼尔-杰弗里（NiallJeffrey）博士（UCL物理与天文学）说："利用人工智能从计算机模拟的宇宙中学习，我们对宇宙关键属性的估计精度提高了两倍。如果没有这些新技术，要实现这一改进，我们需要四倍的数据量。这相当于再绘制3亿个星系的地图"。共同作者洛恩-怀特威博士（伦敦大学物理与天文学学院）说："我们的发现符合目前对暗能量的最佳预测，即暗能量是一个'宇宙常数'，其值不会随空间或时间而变化。不过，它们也为正确的不同解释留出了灵活性。例如，我们的引力理论仍然可能是错误的。"从其中一个模拟宇宙中得到的物质地图。图中最亮的区域表示暗物质密度最高的区域。这些区域与超星系团相对应。深色的几乎是黑色的斑块是宇宙空洞，即星系团之间的大片空隙。资料来源：尼尔-杰弗里等人完善宇宙学模型与之前于2021年首次发表的暗能量勘测图分析结果一致，这些研究结果表明，宇宙中的物质比爱因斯坦广义相对论所预测的分布得更平滑--更少有块状的情况。不过，与之前的分析相比，这项研究的差异并不那么显著，因为误差条更大。暗能量勘测图是通过一种叫做弱引力透镜的方法获得的，即观察来自遥远星系的光线在到达地球的途中是如何被干扰物质的引力弯曲的。这项合作分析了1亿个星系形状的扭曲，从而推断出这些星系前景中所有物质（包括暗物质和可见物质）的分布情况。由此绘制的地图覆盖了南半球四分之一的天空。在这项新研究中，研究人员利用英国政府资助的超级计算机，根据暗能量调查物质地图的数据，对不同的宇宙进行了模拟。每个模拟都有不同的宇宙数学模型作为基础。研究人员从这些模拟中创建了物质图谱。一个机器学习模型被用来提取这些地图中与宇宙学模型相关的信息。第二个机器学习工具从许多不同宇宙学模型的模拟宇宙实例中学习，查看真实观测数据，并给出任何宇宙学模型成为我们宇宙真实模型的几率。与以前的方法相比，这项新技术使研究人员能够使用更多的地图信息。模拟在DiRAC高性能计算（HPC）设施上运行，该设施由英国科技设施委员会（STFC）资助。宇宙学的未来探索下一阶段的暗宇宙项目--包括去年夏天启动的欧洲航天局（ESA）欧几里得（Euclid）任务--将大大增加我们所掌握的有关宇宙大尺度结构的数据量，帮助研究人员确定宇宙出人意料的平滑是否是当前宇宙学模型错误的标志，或者是否有其他解释。目前，这种平滑性与根据宇宙微波背景（CMB）--宇宙大爆炸时留下的光线--分析得出的预测结果不符。暗能量勘测合作项目由美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）主办，来自七个国家25个机构的400多名科学家参与其中。该合作项目利用世界上功能最强大的数码相机之一--5.7亿像素暗能量相机（DarkEnergyCamera）在六年时间里（从2013年到2019年）拍摄的夜空照片，对数以亿计的星系进行了编目。该相机的光学校正器由UCL制造，安装在智利国家科学基金会CerroTololo美洲天文台的望远镜上。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423566.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423566.htm

天文学家在宇宙的黎明中发现理论中"超大黑洞"存在的证据

天文学家在宇宙的黎明中发现理论中"超大黑洞"存在的证据长期以来，人们一直认为超大质量黑洞是由恒星质量黑洞经过数十亿年吞噬物质而形成的。最近对中等质量黑洞的观测似乎为这一假设提供了支持，这些黑洞是处于质量范围中间的罕见天体。但随着天文学家在更远的时空中窥探，他们发现越来越多的迹象表明，事情并没有那么简单。2017年，人们在太空的一个遥远角落发现了一个质量为8亿个太阳的黑洞，这意味着它在宇宙大爆炸后的几亿年里就长到了这么大--根据我们的模型，这种增长速度应该是不可能的。而且它远非孤例，在此之后还发现了100多颗当代巨星。一种可能的解释是，有些黑洞可能是通过其他方法形成的，这使得它们的起始质量比普通的超新星更大。这种假设认为，如果大量气体云坍缩，它们可能会形成质量约在1万到10万个太阳之间的黑洞。这项研究的合著者安迪-古尔丁（AndyGoulding）说："黑洞一旦形成，其增长速度就会受到物理限制，但那些天生质量较大的黑洞却拥有先机。这就像种植一棵树苗，它长成参天大树所需的时间比你从一粒种子开始种植所需的时间要短。"现在，天文学家声称他们首次发现了这种天体的证据，他们称之为"OutsizeBlackHole"。它位于一个名为UHZ1的星系中，距离地球132亿光年--这也意味着我们看到的是它132亿年前的样子，也就是宇宙大爆炸后不到5亿年的样子。包含UHZ1星系和首次潜在探测到的超大黑洞的空间区域的组合图像。紫色区域是钱德拉收集的X射线数据，红色、绿色和蓝色部分来自詹姆斯-韦伯X射线：NASA/CXC/SAO/ÁkosBogdán；红外线：NASA/ESA/CSA/STSCI；图像处理：NASA/CXC/SAO/L.Frattare&K.Arcand要在如此遥远的地方找到这个天体，需要钱德拉X射线天文台和詹姆斯-韦伯太空望远镜的联合力量，并借助一种叫做引力透镜的放大效应。一个前景星系团放大了来自UHZ1的微弱光线，使得两台望远镜能够捕捉到它。根据黑洞发出的X射线的亮度和能量，天文学家估计它的质量在1000万到1亿个太阳之间。这意味着它的质量和它的母星系中所有恒星的质量加在一起差不多，这个比例远远高于在更现代的星系中发现的超大质量黑洞。这些观测到的特征与"超大黑洞"的理论预测相吻合。"我们认为这是首次探测到'超大黑洞'，也是迄今为止获得的最好证据，证明一些黑洞是由大质量气体云形成的，"这项研究的合著者普里亚姆瓦达-纳塔拉詹说。"我们第一次看到超大质量黑洞在落后之前的一个短暂阶段，其重量与星系中恒星的重量差不多"。其他研究认为，这些早期巨星可能是由原始超大质量恒星变成超新星，甚至是自相互作用暗物质的坍缩形成的。当然，也有可能是多种机制在起作用，但只有进一步的观测才能帮助天文学家找出答案。这项研究的两篇论文分别发表在《自然-天文学》和《天体物理学杂志通讯》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395317.htm

天体物理学家测量物质、暗物质和暗能量的总量

天体物理学家测量物质、暗物质和暗能量的总量第一作者、日本千叶大学埃及国家天文和地球物理研究所研究员穆罕默德-阿卜杜拉博士解释说："宇宙学家认为，总物质中只有约20%是由常规物质或'重子'物质构成的，其中包括恒星、星系、原子和生命。"大约80%是由暗物质构成的，暗物质的神秘性质尚不清楚，但可能由一些尚未发现的亚原子粒子组成。(见图）。""研究小组使用了一种行之有效的技术来确定宇宙中的物质总量，即把观测到的单位体积内星系团的数量和质量与数值模拟的预测结果进行比较，"合著者、阿卜杜拉的前研究生导师、加州大学默塞德分校物理学教授兼研究、创新和经济发展副校长吉莉安-威尔逊（GillianWilson）说。"目前观测到的星团数量，也就是所谓的'星团丰度'，对宇宙学条件，尤其是物质总量非常敏感"。图1.就像"金发姑娘"一样，研究小组将测量到的星系团数量与数值模拟的预测进行比较，以确定哪个答案"恰到好处"。资料来源：穆罕默德-阿卜杜拉（埃及国家天文和地球物理研究所/日本千叶大学）弗吉尼亚大学的阿纳托利-克莱平（AnatolyKlypin）说："宇宙中总物质的比例越高，就会形成越多的星团。但要精确测量任何星系团的质量都很困难，因为大部分物质都是暗物质，我们无法用望远镜直接看到。"为了克服这一困难，研究小组不得不使用一种间接的星系团质量追踪器。他们所依赖的事实是，质量较大的星团比质量较小的星团包含更多的星系（质量富集度关系：MRR）。由于星系由发光的恒星组成，因此可以利用每个星团中星系的数量来间接确定其总质量。通过测量斯隆数字巡天观测样本中每个星团的星系数量，研究小组能够估算出每个星团的总质量。然后，他们将观测到的单位体积星系团的数量和质量与数值模拟的预测值进行了比较。观测结果与模拟结果的最佳拟合值是宇宙由31%的总物质组成，这一数值与普朗克卫星的宇宙微波背景（CMB）观测结果非常吻合。值得注意的是，CMB是一种完全独立的技术。验证与技术千叶大学的石山智明（TomoakiIshiyama）说："我们首次利用MRR成功地测量了物质密度，这与普朗克团队利用CMB方法获得的结果非常吻合。这项工作进一步证明，星团丰度是约束宇宙学参数的一项有竞争力的技术，也是对CMB各向异性、重子声振荡、Ia型超新星或引力透镜等非星团技术的补充。"研究小组认为，他们的成果是首次成功利用光谱学（将辐射分离成各个波段或颜色的光谱的技术）来精确确定每个星团的距离，以及与星团有引力约束的真正成员星系，而不是视线沿线的背景或前景干扰者。以前尝试使用MRR技术的研究则依赖于粗糙得多和精确度较低的成像技术，例如使用在某些波长下拍摄的天空照片，来确定每个星团和附近真正成员星系的距离。结论和未来应用这篇发表在9月13日《天体物理学报》上的论文不仅证明了MRR技术是确定宇宙学参数的强大工具，而且还解释了如何将它应用于大型、宽视场和深视场成像以及光谱星系巡天（如斯巴鲁望远镜、暗能量巡天、暗能量光谱仪、欧几里得望远镜、eROSITA望远镜和詹姆斯-韦伯太空望远镜等进行的巡天）所获得的新数据集。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385143.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385143.htm

超级计算机生成的"宇宙"揭示了黑洞的成长过程

超级计算机生成的"宇宙"揭示了黑洞的成长过程黑洞被事件视界所包围，这是一个神秘的、不可见的层，没有任何东西可以从中逃脱，无论是物质、光还是信息。这意味着，事件视界吞噬了关于黑洞过去的每一点证据。亚利桑那大学斯图尔德天文台副教授、日本国家天文台（NAOJ）项目研究员彼得-贝赫罗兹说："由于这些物理事实，人们一直认为不可能测量黑洞是如何形成的。"Behroozi和Steward的博士生HaowenZhang一起领导一个国际团队，使用机器学习和超级计算机来重建黑洞的生长历史，有效地剥开它们的事件视界，揭示出黑洞之外的蛛丝马迹。对数以百万计的计算机生成的"宇宙"的模拟显示，超大质量黑洞与它们的主星系同步成长，这一论点已经被怀疑了20年，但科学家们直到现在才能够确认这种关系。一篇包含该团队发现的论文已经发表在《皇家天文学会月刊》上。"如果你回到宇宙中更早更早的时代，你会发现完全相同的关系是存在的，"该论文的共同作者Behroozi说。"因此，随着星系由小变大，它的黑洞也在由小变大，与我们今天在整个宇宙的星系中看到的完全一样。"大多数（如果不是全部）散布在宇宙中的星系被认为在其中心有一个超大质量的黑洞。这些黑洞的质量超过太阳的10万倍，有些黑洞的质量达到数百万甚至数十亿太阳质量。天体物理学最令人困惑的问题之一是这些庞然大物是如何快速成长的，以及它们首先是如何形成的。为了找到答案，Zhang、Behroozi和他们的同事创建了Trinity平台，该平台使用一种新的机器学习形式，能够在一台超级计算机上生成数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵守不同的物理理论，说明星系应该如何形成。研究人员建立了一个框架，在这个框架中，计算机为超大质量黑洞如何随时间增长提出了新规则。然后他们用这些规则来模拟虚拟宇宙中数十亿黑洞的生长，并"观察"虚拟宇宙，以测试它是否与几十年来对整个真实宇宙中的黑洞的实际观察结果一致。在提出和拒绝了数以百万计的规则集之后，计算机最终确定了最能描述现有观测结果的规则。"我们正试图了解星系如何形成的规则，"Behroozi说。"简而言之，我们让Trinity猜测物理规律可能是什么，并让他们在一个模拟的宇宙中进行，看看这个宇宙的结果如何。它看起来到底像不像真实的宇宙？"根据研究人员的说法，这种方法对宇宙内部的其他东西同样有效，而不仅仅是星系。该项目名称"Trinity"是指其三个主要的研究领域：星系、它们的超大质量黑洞和它们的暗物质光环--巨大的暗物质茧，如果直接测量是看不到的，但其存在对于解释各地星系的物理特性是必要的。在之前的研究中，研究人员使用他们框架的早期版本，即UniverseMachine来模拟数以百万计的星系及其暗物质晕轮。研究小组发现，在其暗物质光环中生长的星系遵循光环质量和星系质量之间的一种非常具体的关系。"在我们的新工作中，我们在这种关系中加入了黑洞，"Behroozi说，"然后问黑洞如何在这些星系中生长，以重现人们对它们的所有观察。""我们对黑洞质量有非常好的观察，"论文的主要作者张说。"然而，这些在很大程度上被限制在本地宇宙。当你看得越远，准确测量黑洞的质量和它们的宿主星系之间的关系变得越来越困难，甚至最终不可能。由于这种不确定性，观测不能直接告诉我们这种关系在整个宇宙中是否成立。"Trinity不仅使天体物理学家能够避开这一限制，而且还能避开单个黑洞的事件视界信息障碍，方法是将数百万个观察到的处于不同成长阶段的黑洞的信息拼接起来。尽管没有一个黑洞的历史可以被重建，但研究人员可以测量所有黑洞的平均生长历史。黑洞放入模拟星系，并输入关于它们如何生长的规则，你可以把产生的宇宙与我们拥有的所有实际黑洞的观测结果进行比较。然后可以重建宇宙中任何黑洞和星系从今天到宇宙开始时的样子。"模拟结果揭示了另一个令人困惑的现象。超大质量黑洞--就像在银河系中心发现的那个--在其初生期增长最为旺盛，当时宇宙只有几十亿年的历史，只是在随后的时间里，在过去100亿年左右的时间里急剧放缓。"我们已经知道一段时间，星系有这种奇怪的行为，它们形成新星的速度达到了一个高峰，然后随着时间的推移逐渐减少，再后来，它们完全停止了形成恒星，"Behroozi说。"现在，我们已经能够证明黑洞也是如此：在与它们的宿主星系相同的时间增长和关闭。这证实了数十年来关于星系中黑洞增长的假设。"这一结果带来了更多的问题，黑洞比它们所处的星系小得多，如果银河系按比例缩小到地球的大小，那么它的超大质量黑洞将是这句话末尾的句号大小。要使黑洞的质量在与大星系相同的时间范围内增加一倍，需要在巨大的不同尺度上实现物质流动的同步。黑洞如何与星系合谋以实现这种平衡尚待了解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335923.htm