“暗能量”的新证据 —— 来自宇宙深处的“声音”

luceifa

你离我越是遥远，我对你越是思念，天文学家对宇宙的感情正是如此。当仰望夜空，看到繁星点点，一个天文学家不仅能告诉你十二星座在哪里，还能为你找到一张笑脸（如图1左图所示星系团SDSS J1038+4849中心的强引力透镜现象），或者想象着把星系连接起来画圈圈（如图1右图所示）。天文学家拍摄天体不是为了自娱自乐，而是为了理解宇宙的演化历史及其背后的物理规律。

图1.左图：星系团 SDSS J1038+4849 中心的强引力透镜现象。图像版权：NASA/ESA。右图：不要当真，一副有物理内涵的艺术想象图，表示早期宇宙产生的重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）在星系分布中留下的遗迹。图像版权：Zosia Rostomian (LBNL), SDSS-III, BOSS.
天文学家总是希望能在宇宙深处观测到尽可能多的天体（包括行星、恒星、星系、超新星、类星体和黑洞等），这不仅是为了研究这些天体本身的物理性质和演化规律，更重要的是我们可以根据这些天体的时空分布或某些内禀性质研究宇宙的演化规律。例如，由于某一类超新星爆发时的光度曲线几乎一致，根据这一类超新星的内禀光度，通过对比其观测亮度和绝对亮度，我们能够获得它们的距离，这使它们成为了测量宇宙学距离的“标准烛光”（烛光一词来自于其光度属性）。1998年，由 Riess 和 Schmidt ，以及 Perlmutter 领导的两个独立小组通过研究 Ia 型超新星的观测数据发现了宇宙加速膨胀的事实，这个发现为宇宙学的研究开启了一个新的篇章，但同时让物理学的天空中浮现出了一朵新的乌云——暗能量。
其实，在大部分的时间里宇宙并不是加速膨胀的，只是到了大约40亿年前（红移约0.4时）暗能量才开始主导宇宙，并使宇宙加速膨胀。也恰好在这一时期，银河系中诞生了我们人类赖以生存的太阳系。
宇宙中存在太多的巧合和未知，但又是可以理解的。我们不知道暗物质是什么，但我们知道它有引力作用；我们不知道暗能量是什么，但我们知道它具有反引力的性质，而且没有成团性；我们知道重子物质是什么，但它们只占总能量密度的不到5%。对暗物质和暗能量本质的理解关乎我们宇宙未来的命运，或膨胀，或收缩，或膨胀收缩循环往复。要了解宇宙的全部，就需要观测更深处的宇宙。微波背景辐射（Cosmic Microwave Background,CMB）是可观测宇宙的边缘，“标准烛光”超新星和“标准尺子”重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）是测量宇宙距离和膨胀历史的重要探针。
那么到底什么是重子声波振荡（BAO）呢？它是早期宇宙中存在的一种类似于声学振荡的现象，它的特征尺度就像音乐中的基音所对应的特征波长。按照现在的宇宙学标准模型，我们知道早期的宇宙诞生（暴胀）得比较突然，宇宙看起来是均匀各向同性的，比较懵懂，但又蠢蠢欲动，微小的涨落无处不在。诞生约10秒后，宇宙中布满了由光子和重子形成的等离子浆。光子由于自由电子的存在而与重子（质子）耦合在一起。由于涨落，重子不仅受到涨落产生的引力势的影响，还受到光子产生的辐射压影响，引力和辐射压相互抗衡，从而形成了类似于声波振荡的纵波。在再复合（recombination）之前（温度大于3000K），光子和重子是一直耦合在一起的，这种状态持续了大约38万年。再复合时期，原子核俘获了电子，从而光子与重子退耦，自由光子经过了138亿年的宇宙膨胀历史形成了今天我们看到的宇宙微波背景辐射 CMB ，其包含了宇宙早期密度涨落的重要信息，保留了与重子耦合时期振荡过的遗迹，即在 CMB 中存在一个角度为0.6度的特征声学尺度，考虑 Planck 宇宙学参数，其在今天对应的尺度约147 Mpc （～4.8亿光年）。失去了光子辐射压的重子受到暗物质引力的吸引，开始了大尺度结构形成的漫长历史。但是，当给定一个星系，在一定距离上统计发现另一个星系的概率的时候（即测量星系间的两点相关函数），我们会发现在大约4.8亿光年的共动距离上也会有一个小的突起。这与 CMB 中观测到的尺度完全一致。也就是说我们可以以宇宙38万年时刻的 BAO 尺度作为标准，通过测量在不同红移（年龄）处的 BAO 尺度，就能够获知宇宙的膨胀历史（如图2所示）。

图2. 利用 BAO 作为标准尺测量宇宙的膨胀历史。白色圈圈对应不同宇宙年龄时的 BAO 尺度。图片版权：E.M. Huff, SDSS-III, and SPT. http://www.sdss3.org/press/20120330.bspec.php
科学家在2005年首次利用宇宙中低红移的星系观测到了 BAO 信号（这一发现于2014年被授予邵逸夫奖）。然而，由于星系在宇宙深处（即高红移）的数密度很低，利用高红移星系观测 BAO 非常困难。幸运的是，宇宙深处存在着大量的类星体可供观测。
类星体是一类特殊的天体，它们看起来像恒星，但实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心存在一个超过千万倍太阳质量的超大质量黑洞，这些黑洞通过吸积周围丰富的物质产生了耀眼的光辉，使得它们几乎在整个宇宙空间中，都能被我们观测到。
图3显示了一个红移为1.07的类星体的测光图像和光谱信息，其中红移正是通过光谱信息获得。天体的红移信息对 BAO 测量至关重要。

图3. 一个红移为1.07的类星体的测光图像和谱线信息，图片来源：http://classic.sdss.org/gallery/gal_zqso.html
近期， eBOSS 国际巡天合作组通过研究红移0.8到2.2之间宇宙深处类星体的成团性，发现了显著的 BAO 信号。这是人类首次利用高红移类星体的成团性研究地球形成之前60亿年到20亿年宇宙的膨胀历史，结合之前的低红移星系样本和类星体莱曼 alpha 森林数据测得的 BAO 信号，此次研究以极高的置信度（6.5 sigma） 证实了暗能量的存在。图4显示了相关结果，其中左图所示为两点相关函数随共动尺度的变化，在100 Mpc/h （约148 Mpc ，4.8亿光年）尺度附近发现了明显的 BAO 信号，右图显示了利用 BAO 信号限制宇宙学的结果。
这是人类成功探索深空宇宙的关键一步，为未来的大型宇宙探索计划奠定了坚实的基础。

图4. 左图显示了两点相关函数随共动尺度的变化，在100 Mpc/h 尺度附近发现了显著的 BAO 信号。右图所示为利用 BAO 信号独立限制宇宙学的结果，在 6.5 sigma 置信水平上证实了暗能量的存在。具体可参考：http://lanl.arxiv.org/abs/1705.06373
作者杜伟，系中科院国家天文台宇宙学与引力研究课题组研究人员

冰伊人o

好吧，又是字都认识。

5674152

除了666我还能说什么呢？

ZmAXxoJF

还是没看懂，这个信号是如何证实暗能量存在的

heal5256

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