《物理評論D》（Physical Review D）以”編輯建議”（Editors’ Suggestion）的形式發表了一篇最新研究報告，報告稱一個研究小組分析了100 多萬個星系，以探索當今宇宙結構的起源。研究人員揭示了星系形狀在遙遠距離上的顯著排列，這項研究採用了創新方法，證實了暴脹理論的某些方面，標誌著在了解宇宙形成方面取得了重大進展。

直到今天，對宇宙微波背景（CMB）和大尺度結構（LSS）的精確觀測和分析已經建立了宇宙的標準框架，即所謂的ΛCDM模型，其中冷暗物質（CDM）和暗能量（宇宙學常數Λ ）是重要特徵。

透過觀測宇宙大尺度結構所獲得的影像。從黃色到紅色顯示的眾多天體都代表著距離地球數億光年的星系。這些星系的顏色和形狀多種多樣，在浩瀚的太空中數不勝數。這些星系的空間分佈和形狀模式並不是隨機的，而是具有”相關性”，這種”相關性”來自通貨膨脹所預測的原始波動種子的統計特性。資料來源：Subaru HSC

這個模型認為，原始波動產生於宇宙之初，或者說在宇宙早期，它就像觸發器一樣，導致了宇宙萬物的產生，包括恆星、星系、星系團，以及它們在整個空間的空間分佈。雖然波動在產生時非常小，但隨著時間的推移，波動會在重力的牽引下不斷增大，最終形成一個暗物質緻密區域，也就是光環。然後，不同的光環反覆碰撞，相互融合，從而形成了星係等天體。

星系分佈與原始波動

由於星系空間分佈的性質深受最初產生星系的原始波動性質的影響，因此人們一直在積極地對星系分佈進行統計分析，以便從觀測上探索原始波動的性質。除此之外，分佈在宇宙廣闊區域的星系形狀的空間模式也反映了潛在原始波動的性質。

然而，傳統的大尺度結構分析只關注星係作為點的空間分佈。最近，研究人員開始研究星系的形狀，因為它不僅能提供更多的信息，還能從另一個角度揭示原始波動的本質。

宇宙原始波動的”不同”如何導致暗物質空間分佈不同的直觀圖。中心圖（上下兩行共用）顯示了參考高斯分佈中的波動。色彩漸層（從藍色到黃色）與該位置（從低密度區到高密度區）的波動值相對應。左圖和右圖顯示的是略微偏離高斯分佈或非高斯分佈的波動。括號內的符號表示偏離高斯分佈的符號，左邊為負（-）偏離，右邊為正（+）偏離。最上面一行是各向同性非高斯的例子。與中心高斯波動相比，左圖顯示大負值（深藍色）區域增加，而右圖顯示大正值（亮黃色）區域增加。眾所周知，我們可以利用觀測到的星系的空間分佈來尋找這種各向同性的非高斯性。下圖是各向異性非高斯性的一個例子。與上圖中各向同性的情況相比，整體亮度和暗度與中圖的高斯波動相比沒有變化，但每個區域的形狀卻發生了變化。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。資料來源：Kurita ＆ Takada

由當時的卡弗里宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）研究生栗田俊樹（現為馬克斯-普朗克天體物理研究所博士後研究員）和卡弗里宇宙物理與數學研究所教授高田昌弘領導的研究小組開發了一種測量星系形狀功率譜的方法，透過結合星系空間分佈的光譜數據和單一星系形狀的成像數據，從星系形狀模式中提取關鍵的統計資料。

全面分析與重要發現

研究人員同時分析了來自斯隆數位巡天（SDSS）的約100 萬個星系的空間分佈和形狀模式，斯隆數位巡天是當今世界上最大的星系巡天。

因此，他們成功地約束了原始波動的統計特性，而原始波動正是整個宇宙結構所形成的種子。

藍點和誤差條是星系形狀功率譜的數值。縱軸代表兩個星系形狀之間的相關性強度，即星系形狀方向的一致性。橫軸代表兩個星系之間的距離，左（右）軸代表較遠（較近）星系之間的相關性。灰點表示非物理表觀相關性。該值在誤差範圍內為零，證實了藍色測量點確實是天文物理產生的訊號。黑色曲線是最標準的通膨模型的理論曲線，與實際數據點非常吻合。資料來源：Kurita & Takada

他們發現，相距1 億多光年的兩個星系的形狀方向在統計上有明顯的一致性。他們的研究結果表明，在遙遠的星系之間存在著相關性，而這些星系的形成過程顯然是獨立的，並且沒有因果關係。

“在這項研究中，我們透過對從大尺度結構資料中獲得的眾多星系的’形狀’進行統計分析，對原始波動的特性施加了約束。利用星系形狀來探索早期宇宙物理的研究鮮有先例，研究過程中，從構思、制定分析方法到實際的數據分析，都是一系列的試錯。正因為如此，我面臨著許多挑戰。但我很高興自己能夠在攻讀博士期間完成這些任務。我相信，這項成果將成為利用星系形狀開闢宇宙學新研究領域的第一步。”

此外，對這些相關性的詳細研究證實，它們與通貨膨脹所預測的相關性一致，並沒有表現出原始波動的非高斯特徵。

“這項研究是俊樹博士論文的成果。這是一項了不起的研究成果，我們開發了一種利用星系形狀和星系分佈驗證宇宙學模型的方法，並將其應用於數據，然後測試了膨脹物理學。這是一項前無古人的研究課題，但他完成了理論、測量和應用這三個步驟。祝賀他！我們能夠完成所有三個步驟，我感到非常自豪。遺憾的是，我並沒有發現新的膨脹物理學這一偉大發現，但我們已經為未來的研究開闢了一條道路。我們可以期待利用斯巴魯主焦點攝譜儀開闢更多的研究領域，」高田說。

編譯來源：ScitechDaily