中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2023年4月13日 

宇宙學是揭示宇宙起源、結構和終局的研究，由於天文觀測的快速發展而產生革命性的變化。 其中一個重要里程碑是宇宙標準模型的建立，能一致性地描述各種觀測資料。 然而，這個模型需要加入我們仍完全未知的暗物質和暗能量。要解開這些謎團，就需要對宇宙進行更精確的測量，以驗證宇宙標準模型的各種假設。目前世界各國正在進行觀測，以建立超越標準模型的新宇宙觀。

在宇宙的巨大尺度上追踪星系分布而得到的宇宙三維地圖，是一個可測試宇宙模型的強大工具，因為星系分布是由於暗物質的重力造成。星系在三維地圖上的位置也包含了它們本身運動的資訊，這些也是因星系間的重力造成。這些特性可用於測量結構的增長速度、測試星系間的重力定律，並驗證廣義相對論，即宇宙標準模型的基礎。到目前為止，大多數使用星系分布圖的觀測測試都將星系視為一點。然而，星系有面積且有獨特的形狀。雖然這些資料已廣泛使用於星系形成和演化的研究，但還沒有在宇宙學研究中得到積極應用。由於星系形成的動力學主要受暗物質重力的影響，星系的形狀和排列方向也受到暗物質造成的潮汐力影響。在不同宇宙距離中觀測到的星系排列方向因此被認為和重力有關。 如果是這樣，我們就可以利用這些星系的資料來進一步研究宇宙的起源和演化。

本研究使用史隆數位巡天獲得的 120 萬個星系資料，分析了星系位置及其排列方向。根據星系的距離和亮度，將 120 萬個星系分成三個樣本。研究人員測量了每個樣本的星系相對於遙遠星系的排列幅度，發現有清楚的相關訊號。這意味著即使是彼此相距數千萬甚至數億光年的星系，它們的方向也和重力相關。

為了解釋這個結果，研究人員建立了星系方向由暗物質分布造成的重力所決定的理論模型，並與測量結果進行比較。研究顯示，透過將星系方向與其他資料重新結合，宇宙標準模型的預測能有效解釋觀測結果，而且沒發現有模型造成的誤差。這代表廣義相對論正確描述了相距數千萬至數億光年的星系之間的重力作用。過去，重力造成的增長率是使用各種星系的三維位置觀測資料來測量的。本研究結合星系方向的資料能更精確驗證，為廣義相對論提供了有力的檢驗。

論文第二作者樽家篤史認為：「相距數千萬至數億光年的星系間排列方向竟有關聯，從日常生活角度來看是驚人的。 更令人驚訝的是，測量結果與廣義相對論的理論計算非常吻合。雖然廣義相對論中仍有潛在缺陷，需要進一步驗證，但我們在當前的基礎上開創一種新方法，得到這個重大的研究成果。未來，我希望能利用新的資料進行這項研究，揭開宇宙的各種奧秘。」

雖然過去曾使用星系方向來測量重力透鏡效應，但星系本身的方向對於捕捉重力透鏡引起的輕微扭曲是個阻礙。因此，以往的研究常聚焦於如何除去星系方向以獲得更清晰的重力透鏡訊號，而本研究則將星系排列方向視為一種指針。雖然本研究使用現有資料庫，但目前世界各地仍在進行觀測，預計未來將有大量的觀測資料來推進高精度的宇宙學分析。尤其是日本Subaru望遠鏡的超廣角相機（Hyper Suprime-Cam，簡稱HSC）和主焦點光譜儀（Prime Focus Spectrograph，簡稱PFS）計畫，台灣也有巨大貢獻，將提供極高品質的觀測數據。需要強調的是，未來星系方向的資料將不僅限於精確測試廣義相對論。星系的排列和形狀與宇宙的形成及演化有密切相關，如果我們能夠了解它們與早期宇宙發生的未知現象間的關係，則有望進一步提高科學成果。

論文第一作者奧村哲平總結：「這次很榮幸能首次透過觀測證明，從理論的角度探討星系的形狀，可能用來研究支配宇宙的物理定律。將來，我想將研究擴展到更大的星系分布圖，例如利用日本與台灣合作的PFS計畫，以進行更詳細的分析。」

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本篇論文發表於2023年3月13日出版的天文物理期刊快訊（Astrophysical Journal Letters），篇名：First Constraints on Growth Rate from Redshift-Space Ellipticity Correlations of SDSS Galaxies at 0.16 < z < 0.70,

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中央研究院天文及天文物理研究所研究員奧村哲平，Email: tokumura@asiaa.sinica.edu.tw            Tel: (02)2366-5401