重子声波振荡：测量宇宙的标尺

《重子声波振荡：测量宇宙的标尺》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、重子声波振荡:测量宇宙的标尺在天文学中z绝大多数的距离测量依赖于〃标准烛光〃。即，天文学家将挑选出来的、已知其自身亮度的天体作为标准，测量它们的视亮度，再根据其绝对亮度，就能推算出它们与地球的距离。造父变星、la型超新星（一种由双星系统发生爆炸形成的超新星）都是最常见的〃标准烛光〃。不过，〃标准烛光〃的问题在于，天体离我们越远，它们的光就越有可能受到消光的影响。比如，一颗la型超新星看起来比较暗，可能是因为它离我们比较远，但也有可能是因为很多尘埃遮挡了它的光。因此，在测量大尺度距离时，〃标准烛光〃的可靠性不太好。于是,天文学家们想到了另一种测量宇宙距离的方法:

2、重子声波振荡。远古的声波在物理学中,基本粒子根据质量的大小可分为重子和轻子两类。重子是指质子、中子这样的大质量粒子，而轻子则指电子、中微子这样的小质量的粒子。宇宙诞生的早期，温度很高，氢原子处于电离状态。在这样的宇宙中，只存在暗物质、光子以及由致密的重子和电子混合而成的一种与现在固体、液体和气体不同的第四态物质——离子体。最初，宇宙所有的物质和暗物质虽然在整体上是均匀分布的，但是局部地区的密度却有细小的涨落。密度稍大的地方，引力较大;密度稍小的地方，引力则稍小。暗物质比重子等普通物质重6倍，它们在自动聚团的同时，其弓I力也在诱使等离子体向密度较高的区域聚集。不

3、过，光子的存在使情况变得复杂。光子对于暗物质完全没有影响，但浓密的光子会与电子、重子耦合形成—种〃等离子体—光子〃流体，在等离子体中密度大的地方，虽然引力大，但光子与质子、电子相互之间又有排斥力，这样等离子体就会像被压紧了的弹簧，向外反弹。弹到一定程度后，排斥力小于引力时，引力又会把这些等离子体压缩回去。这样引力与排斥力一压一弹，就会产生物质疏密的振荡，由于这种振荡伴随着质子等重子的聚集和扩散，所以叫”重子振荡〃。这个原理与声音在空气中传播引起疏密振荡的原理相同,因此天文学家把重子振荡产生的波叫做重子声波。在重子声波向外传播的同时，宇宙随着膨胀，温度逐渐降低。

4、到了宇宙大爆炸后约38万年的时候，温度已经冷却到3000Kz电子和质子已经可以有效地复合成中性氢原子。此时，仅存的光子不足以将氢原子电离破坏，只能自由地在宇宙空间传播，成为我们今天看至啲、弥漫在宇宙中的微波背景辐射。随着光子的散开，重子振荡消失，导致重子声波的传播立刻停止。这一场景非常像石子被丢进池塘，产生一个向外扩散的球状波纹，然后池塘瞬间结冰，波纹也被保留了下来。寻寻觅觅找"声波"当重子声波冻结的瞬间，重子物质在宇宙空间中形成巨大的波纹式结构——重子物质密度大的地方留下的氢原子密度依然高于周围，围绕着暗物质聚集的中心成了一个球形的高密度壳层。这个球的半径是

5、当时重子声波的传播极限，可以叫做〃声速视界〃。因为重子声波只能传这么远，在〃声速视界〃之夕卜，重子振荡就没有了。〃声速视界〃的大小是由当时的声速决定的，是个固定值。天文学家估算，早期宇宙的重子声波的声速能够与光速比拟，重子声波冻结时的〃声速视界〃的物理尺寸大约有38万光年。但是在随后的岁月中「声速视界〃的物理尺寸随着宇宙的整体膨胀被拉伸，就像气球上的图案随着气球的膨胀而变大一样。从声波冻结的时刻到今天，宇宙膨胀了1000多倍，所以，如今〃声速视界〃的物理尺寸已经拉伸到约4亿光年。如果在宇宙中找到冻结的重子声波的遗迹z我们就找到了〃声速视界〃，这个固定的物理尺寸

6、就是宇宙空间中所漂浮着的一把把〃标尺〃。那么，天文学家如何在天文观测中去找到冻结的重子声波呢？答案就是宇宙大尺度结构。由于重子声波振荡导致了一种特殊的物质分布不均匀性，所以重子声波边缘处（重子较多）和中心处（暗物质较多）的物质密度都要比周围高，这些地方后来都成为了星系形成的种子。也就是说，如今宇宙中不同星系之间的距离其实是按照〃声速视界〃的膨胀演化而来的。现在，天文学家通过大尺度的星系巡天，就可以根据不同红移处星系的分布，找到相应距离处那把漂浮的〃尺子〃的大小。如何用〃标尺"科学家认为z找到那把漂浮的〃尺子〃”在此基础上,天文学家就可以计算星系的距离、哈勃常数

7、并研究暗能量。重子声波振荡这把〃尺子〃很准确,也很有用,但有一点不好——这〃尺子〃实在太大了。早在1970年代，天文学家就意识到了重子声波振荡的存在,但直到2005年z天文学家通过当时最大的星系巡天——斯隆数字巡天项目，收集了等效边长为50亿光年的立方盒子里5万个亮红星系的样本，通过分析，才首次得到了宇宙学尺度上的重子声波振荡。2017年，目前世界最大星系巡天——拓展的重子振荡光谱巡天观测了距离地球68亿光年到105亿光年之间宇宙深处类星体的空间分布，又一次发现了显著的重子声波振荡。而2018年，美国暗能量光谱仪项目也开始运行。暗能量光谱仪将会捕捉3000万个

8、星系和类星体的图像以创建一个3D地图，