圖1:從宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)中獲得的圖像。黃色到紅色顯示的個(gè)星眾多物體都代表著距離地球數(shù)億光年的星系。這些星系有各種各樣的系找顏色和形狀，在浩瀚的出宇太空中數(shù)不勝數(shù)。這些星系的宙何空間分布和形狀模式并不是隨機(jī)的，而是開(kāi)始確實(shí)具有“相關(guān)性”,這種相關(guān)性來(lái)自于暴脹所預(yù)測(cè)的原始種子波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性。信用:uux.cn/斯巴魯HSC
（神秘的研究研究地球uux.cn）據(jù)東京大學(xué)宇宙物理和數(shù)學(xué)研究所：直到今天，對(duì)宇宙微波背景(CMB)和大尺度結(jié)構(gòu)(LSS)的百萬(wàn)精確觀測(cè)和分析已經(jīng)導(dǎo)致建立了宇宙的標(biāo)準(zhǔn)框架，即所謂的個(gè)星λCDM模型，其中冷暗物質(zhì)(CDM)和暗能量(宇宙常數(shù)，系找λ)是出宇重要的特征。
這一模型提出，宙何原始波動(dòng)產(chǎn)生于宇宙之初，開(kāi)始或者說(shuō)在早期宇宙中，研究研究它充當(dāng)了觸發(fā)器，導(dǎo)致了宇宙中包括恒星、星系、星系團(tuán)在內(nèi)的萬(wàn)物的產(chǎn)生，以及它們?cè)谡麄€(gè)空間中的空間分布。雖然它們產(chǎn)生時(shí)非常小，但由于引力的拉力，波動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)，最終形成暗物質(zhì)的致密區(qū)域，或稱暈。然后，不同的光環(huán)反復(fù)碰撞，相互融合，導(dǎo)致星系等天體的形成。
由于星系的空間分布的性質(zhì)受到最初創(chuàng)造它們的原始波動(dòng)的性質(zhì)的強(qiáng)烈影響，所以已經(jīng)積極地進(jìn)行了星系分布的統(tǒng)計(jì)分析，以從觀測(cè)上探索原始波動(dòng)的性質(zhì)。除此之外，分布在宇宙大范圍內(nèi)的星系形狀的空間模式也反映了潛在的原始波動(dòng)的性質(zhì)(圖1)。
然而，傳統(tǒng)的大尺度結(jié)構(gòu)分析只關(guān)注星系作為點(diǎn)的空間分布。最近，研究人員開(kāi)始研究星系形狀，因?yàn)樗粌H提供了額外的信息，還提供了一個(gè)不同的視角來(lái)研究原始波動(dòng)的本質(zhì)(圖2)。

圖2:宇宙“不同”的原始波動(dòng)如何導(dǎo)致暗物質(zhì)不同的空間分布的可視化。中間的圖(上下兩行共有)顯示了參考高斯分布的波動(dòng)。色階(藍(lán)色到黃色)對(duì)應(yīng)于該位置(低密度到高密度區(qū)域)的波動(dòng)值。左圖和右圖顯示了稍微偏離高斯分布或非高斯分布的波動(dòng)。括號(hào)中的符號(hào)表示偏離高斯性的符號(hào)，對(duì)應(yīng)于左邊的負(fù)(-)偏差和右邊的正(+)偏差。頂行是各向同性非高斯性的一個(gè)例子。與中心高斯波動(dòng)相比，左圖顯示了大的負(fù)(深藍(lán)色)區(qū)域的增加，而右圖顯示了大的正(亮黃色)區(qū)域的增加。眾所周知，我們可以利用觀測(cè)到的星系的空間分布來(lái)尋找這種各向同性的非高斯性。下圖顯示了各向異性非高斯性的示例。與上部面板中的各向同性情況相比，總體亮度和暗度與中央面板中的高斯波動(dòng)相比沒(méi)有變化，但是每個(gè)區(qū)域的形狀發(fā)生了變化。我們可以從星系形狀的空間模式中尋找這種“各向異性”的非高斯性。信用:uux.cn/栗田&高田
由當(dāng)時(shí)的卡維利宇宙物理和數(shù)學(xué)研究所(卡維利IPMU)研究生Toshiki Kurita(目前是馬普天體物理研究所的博士后研究員)和卡維利IPMU教授高田雅博領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量星系形狀功率譜的方法，該方法通過(guò)結(jié)合星系空間分布的光譜數(shù)據(jù)和單個(gè)星系形狀的成像數(shù)據(jù)，從星系形狀模式中提取關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)信息。
研究人員同時(shí)分析了來(lái)自斯隆數(shù)字巡天(SDSS)的大約100萬(wàn)個(gè)星系的空間分布和形狀模式，這是當(dāng)今世界上最大的星系巡天。
結(jié)果，他們成功地限制了原始波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性，而原始波動(dòng)是整個(gè)宇宙結(jié)構(gòu)形成的種子。
他們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相距超過(guò)1億光年的星系形狀的方向在統(tǒng)計(jì)上有顯著的一致性(圖3)。他們的結(jié)果表明，遙遠(yuǎn)星系之間存在相關(guān)性，這些星系的形成過(guò)程顯然是獨(dú)立的，沒(méi)有因果關(guān)系。

圖3:藍(lán)點(diǎn)和誤差線是星系形狀功率譜的值。垂直軸對(duì)應(yīng)于兩個(gè)星系形狀之間的相關(guān)性強(qiáng)度，即星系形狀取向的排列。橫軸代表兩個(gè)星系之間的距離，左(右)軸代表更遠(yuǎn)(更近)的星系之間的相關(guān)性。灰點(diǎn)表示非物理的表觀相關(guān)性。這個(gè)值在誤差范圍內(nèi)為零的事實(shí)，正如所預(yù)料的，證實(shí)了藍(lán)色的測(cè)量點(diǎn)確實(shí)是來(lái)自天體物理學(xué)的信號(hào)。黑色曲線是來(lái)自最標(biāo)準(zhǔn)的通貨膨脹模型的理論曲線，并且發(fā)現(xiàn)它與實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)非常一致。信用:uux.cn/栗田&高田
“在這項(xiàng)研究中，我們能夠通過(guò)從大規(guī)模結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中獲得的眾多星系‘形狀’的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)原始波動(dòng)的屬性施加約束。利用星系形狀探索早期宇宙物理的研究鮮有先例，研究過(guò)程從構(gòu)想的構(gòu)建、分析方法的發(fā)展到實(shí)際的數(shù)據(jù)分析，都是一系列的試錯(cuò)。
“正因?yàn)槿绱耍颐媾R著許多挑戰(zhàn)。但是我很高興我能夠在我的博士項(xiàng)目期間完成它們。我相信這項(xiàng)成果將是利用星系形狀開(kāi)辟宇宙學(xué)新研究領(lǐng)域的第一步，”栗田說(shuō)。
此外，對(duì)這些相關(guān)性的詳細(xì)研究證實(shí)了它們與膨脹預(yù)測(cè)的相關(guān)性一致，并且沒(méi)有表現(xiàn)出原始波動(dòng)的非高斯特征。
“這項(xiàng)研究是俊樹(shù)博士論文的成果。這是一項(xiàng)了不起的研究成果，我們開(kāi)發(fā)了一種方法，利用星系形狀和星系分布來(lái)驗(yàn)證宇宙學(xué)模型，將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)，然后測(cè)試膨脹的物理學(xué)。這是一個(gè)以前沒(méi)有人做過(guò)的研究課題，但他完成了所有三個(gè)步驟:理論、測(cè)量和應(yīng)用。恭喜你！我感到非常自豪的是，我們能夠完成所有三個(gè)步驟。不幸的是，我沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的暴脹物理學(xué)，但我們?yōu)槲磥?lái)的研究開(kāi)辟了道路。我們可以期待使用斯巴魯Prime Focus攝譜儀打開(kāi)進(jìn)一步的研究領(lǐng)域，”高田說(shuō)。
這項(xiàng)研究的方法和結(jié)果將允許研究人員在未來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)膨脹理論。