重子声波振荡测量的方法和技巧

世界最大星系巡天eBOSS国际科学合作组，最近利用类星体进行了重子声波的震荡测量。这是人类首次利用该手段来对重子声波进行测量。

　　世界最大星系巡天eBOSS国际科学合作组，近日发现了显著的重子声波振荡信号。eBOSS国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博22日向科技日报记者介绍，这是首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量，并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后，获得了暗能量存在的又一独立证据，这也再次证实了宇宙在加速膨胀。

　　1929年，美国天文学家哈勃发现大多数星系的光谱存在红移现象，表明这些天体在逐渐后退远离我们，意味着整个宇宙处于膨胀状态。这一发现在当时震惊世界，让千百年来认为“宇宙为静态”的观点被打破。

　　“哈勃发现的是一种时空膨胀效应。”赵公博说，“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2011年诺贝尔物理学奖。

　　除了超新星，大尺度星系巡天是开展宇宙学研究的重要探针。2015年至今，赵公博领导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。

　　类星体是由超大质量黑洞驱动的高光度天体，当物质和能量落向其中心的黑洞，温度会升高并放出耀眼的光辉，在地球上用2.5米直径望远镜就能观测到。“几乎在整个宇宙空间中，我们都能看到类星体。它们是绘制目前为止最大宇宙图像的理想天体。”eBOSS星系成团性工作组负责人之一阿什利·罗斯说。

　　赵公博介绍说，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。

　　两年来，天文学家精确测量了超过14.7万颗类星体的三维空间位置，绘制了揭示宇宙大尺度结构的图像。但要理解宇宙的膨胀历史，单单一张图并不够。“这就需要重子声波振荡这把测量宇宙几何的标准尺。”赵公博说。

　　重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹，在宇宙爆炸后约38万年，声波振荡信息被“冻结”。赵公博说，如今宇宙中，仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号，它可以作为测量宇宙中类星体距离的标尺。记者了解到，此前已有研究团队对近邻星系以及星际尘埃粒子做了重子声波振荡测量，并用这项技术测量到了地球形成前20亿年的宇宙。

　　eBOSS合作组此次发布的成果，确认了20年来科学家建立起的标准宇宙学模型。该模型框架下，宇宙的演化与爱因斯坦广义相对论一致，包括可观测但本质仍未知的能量组分。除了构成恒星、星系等的普通物质，宇宙中还包括不可见但具有引力效应的暗物质，以及神秘的暗能量。在当前宇宙中，暗能量占据主导地位，并推动宇宙加速膨胀。

　　目前，eBOSS项目通过美国新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的斯隆望远镜，仍在进行巡天观测。赵公博表示，对于暗能量研究来说，开展大规模巡天实验是重中之重，未来十年内，国内外将运行一批大型暗能量项目。他介绍，“十三五”期间，我国将建造一架12米口径的光学望远镜（LOT），开展超新星和重子声波振荡巡天实验。届时LOT将是国际上规模最大的暗能量巡天望远镜之一。五年内，位于我国西藏阿里地区的微波背景辐射实验室也将建成，其不仅对暗能量研究具有重要意义，还将搜寻宇宙原初的引力波信号，利用宇宙极早期微波背景辐射检验广义相对论。