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重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况

来源:www.hg07111.cc   作者:hg0088   日期:2017-06-29 09:52

    2015年至今,eBOSS国际合作组顺利完成了类星体巡天观测和数据处理,以及暗能量等宇宙学前沿问题研究,证实了利用红移类星体开展宇宙学研究的可行性与优势,为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠定了基础。该项目也受到国家自然科学基金委员会和中国科学院“宇宙结构起源”先导B类专项的支持。
 
    在介绍加速膨胀之前,我们先简要回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年,美国天文学家哈勃(Edwin Hubble)在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后,惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象,星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们。哈勃还发现,天体退行速度与它们离我们的距离成正比,这就是著名的哈勃定律,其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应,这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界,甚至让很多人不安,因为此发现让千百年来认为“宇宙为静态”的观点被打破。
 
    之前eBOSS国际合作组的专家都是用星系进行重子声波振荡测量,而这次是用类行星,并且是高红移的类星体进行测量,这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。
 
    那么什么是类星体?为什么会选择用它来观测?类星体是1963年被天文学家发现的一类特殊天体。它们因为看起来是类似恒星的天体而得名,实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心其实是质量在太阳千万倍以上的超质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出巨大能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。几乎在整个宇宙空间中,我们都能看到类星体。
 
    重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况,物质密度越高的地方,星系和类星体也越多。这次选择类星体来观测,主要是比较亮一些,在更遥远的地方都可以看到。
 
    2、宇宙中约70%的能量是由暗能量提供,约25%由暗物质提供,而我们熟悉的普通物质只占5%
 
    在实验观测上,要了解宇宙在过去不同时刻的膨胀率,进而确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就需要测量更遥远天体的距离和红移的关系。哈勃发现的是一种时空膨胀效应。通常的引力效应只能让宇宙减速膨胀,而科学家假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量,称之为暗能量,它具有负压强,能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。
 
    要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由恒星演化到最后发生爆炸而形成的超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。
 
    1998年,由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组,几乎同时在超新星观测中发现了暗能量存在的证据,以此获得了诺贝尔物理学奖--在北京时间2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P.Schmidt和美国科学家Adam G.Riess,以表彰他们一项震惊世界的科学发现:宇宙正在加速膨胀!
 
    此次的重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体成团性发现的。这些类星体非常遥远,现在看到的是它们在宇宙诞生后30亿年到70亿年间发出的光,远在地球形成之前。
 
    天体的红移可以通过其光谱直接测量,但是测量天体与我们的距离却非常困难。天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度(它们和天体的星等相联系)来推断距离。因此,在测距过程中要选取那些具有已知的绝对亮度的天体作为观测对象,这类天体被称作“标准烛光”。通过测量不同红移处标准烛光的亮度,并利用亮度与红移(或者星等与红移)的关系,我们就可以用它来确定宇宙膨胀率与时间的依赖关系。
 
    宇宙中确实存在我们需要的标准烛光:Ia型超新星(SN)。此类超新星是双星系统中,白矮星吸积物质,或双白矮星并合引起爆发形成的。这类星体在爆发时非常明亮,在短短几周内,其亮度可以与整个星系相比拟,在很遥远的距离上都可以观测到。经过多年努力,由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现,宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗。这个观测证据表明,宇宙的膨胀正在加速!
 
    除超新星以外,重子声波振荡(BAO)是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期,重子物质与光子紧密耦合,并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀,温度降低,这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离,直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射(CMB)时期。从此光子与重子不再相互作用,声波振荡过程结束,星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上,即BAO尺度。BAO尺度大约为150兆秒差距(约4.9亿光年),具体数值依赖于宇宙学参数。观测上,我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目(宇宙学上称为星系的两点关联函数)测量BAO尺度,进而测量宇宙学参数。
 
    由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响,而且BAO测距几乎不受系统误差影响,BAO被称为测量宇宙几何的标准尺。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天(SDSS)。其第三期的重子声波振荡光谱巡天(BOSS)通过测量一百万条星系光谱,首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平,并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号,为宇宙学研究提供重要观测支持。BAO的观测独立地表明,宇宙确实正在加速膨胀!
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