听远古绝响 探宇宙历史

85888144

由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天——拓展重子振荡光谱巡天（extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey，简称eBOSS）国际科技计划合作组织，近日利用宇宙深处的类星体，测量到了显著的重子声波振荡信号，这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据。
中国科学院国家天文台研究员赵公博自2015年起担任该项目国际合作组星系成团性工作组联合组长，他表示：“这是人类首次利用宇宙深处的类星体成团性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。”
所谓“重子声波振荡”，是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹。在大爆炸后38万年，原子形成，声波振荡信息被“冻结”，并永远留存在宇宙各处。因此，其可作为测量天体间距离的“标尺”，进而探测暗能量的存在等等。
神秘的暗能量被认为占宇宙总密度的四分之三，但恰如其名，暗能量完全不可见，与普通物质的作用非常微弱。科学家们只能间接证实其存在，而重子声波振荡信号就是其中之一。
●南方日报驻京记者 王诗堃
加速膨胀的宇宙
当物体正在远离观测者时，它的光波就会被拉长，从而在波谱上向红光移动，发生“红移”。科学家有个很形象的比喻：一列火车向我们驶来时，它的汽笛声尖锐刺耳，因为火车的高速运动使声波波长被压缩。相反，当火车离开我们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓。
1929年，天文学家哈勃发现大多数星系的光谱存在“红移”，表明宇宙中的星系在不断离我们远去。而且，离我们越远，远离速度越大。什么是“红移”？当物体正在远离观测者时，它的光波就会被拉长，从而在波谱上向红光移动，发生“红移”。科学家有个很形象的比喻：一列火车向我们驶来时，它的汽笛声尖锐刺耳，因为火车的高速运动使声波波长被压缩。相反，当火车离开我们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓。
“红移”昭示了宇宙膨胀的图景。那么，这种“膨胀”，究竟是处于加速还是减速阶段？如果是加速膨胀，那么或许进一步昭示着宇宙的未来：物质将越来越稀疏，最终在永恒的寒冷中终结。
1998年，珀尔马特（S.Perlmutter）、施密特（B.Schmidt）和里斯（A.Riess）领导的科研团队各自通过观测Ⅰa型超新星，发现了暗能量存在的证据，进而发现宇宙正在加速膨胀，这项研究获得了2011年诺贝尔物理学奖。
中国科学院国家天文台研究员陈学雷说，“我们所有已知的物质，由于万有引力的作用，都会使宇宙的膨胀减速。然而宇宙的膨胀并未减速而是在加速，因此意味着宇宙中还存在着人类完全未曾认识的物质形式，并且据估计其密度约占宇宙总密度的四分之三。这种物质形式被称为‘暗能量’。”陈学雷表示，“暗能量必须具有一些奇特的性质，导致宇宙膨胀加速。”
“揭开暗能量的面纱，关键在于精确地测定暗能量的性质，以检验和区分暗能量的不同模型。”陈学雷说，“暗能量与一般物质的相互作用极其微弱，因此很难在实验室内直接进行探测。不仅如此，与普通物质甚至暗物质不同，暗能量的成团性也很弱，尽管在宇宙尺度上暗能量是最主要的成分，但在星系中其密度也远低于一般物质的密度，所以目前主要是考虑根据其宇宙尺度上的引力效应探测暗能量。”
“具体来说，首先需要测量不同时期宇宙膨胀的速度，即哈勃参数。”陈学雷表示，现有的暗能量观测数据主要来自Ⅰa型超新星观测，但是超新星观测也有一定的局限性，因为每颗Ⅰa型超新星的绝对亮度并非完全相等，而且亮度测量也容易受到沿视线方向的尘埃消光作用等影响，因此其观测精度是有局限性的。
最理想的“量天尺”
重子声波振荡就是通过探测宇宙大爆炸留下的早期声波，以不同的波长来判断不同时刻宇宙膨胀的速度变化。虽然大爆炸结束了，但是伴随大爆炸而产生的声波还以等离子体的形式存留在宇宙里，这就好像水结冰了，但是之前的波纹被保留下来，是存在于宇宙中人们一直梦寐以求的最可靠和最理想的“量天尺”。
2005年，科学家通过斯隆数字巡天项目，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，通过成团性分析，得到了宇宙学尺度上的重子声波振荡。
“简单来说，重子声波振荡就是通过探测宇宙大爆炸留下的早期声波，以不同的波长来判断不同时刻宇宙膨胀的速度变化。当初宇宙大爆炸从开始到结束，经历了一个非常突然的过程，虽然大爆炸结束了，但是伴随大爆炸而产生的声波还以等离子体的形式存留在宇宙里。这就好像水结冰了，但是之前的波纹被保留下来。”陈学雷说。
中国科学院国家天文台研究员、中国科学院院士武向平指出，重子声波振荡自从诞生后，就从未受到过宇宙结构形成的影响和污染，“涟漪”依然完好如初。“近年人们才意识到，重子声波振荡是存在于宇宙中人们一直梦寐以求的最可靠和最理想的‘量天尺’。”
陈学雷表示，与超新星观测相比，重子声波振荡的物理依据清晰，可以较严格地计算而无需依赖经验关系，有望实现较小的系统误差。“重子声波振荡刚好就提供了这样一种天然的尺度。我们根据声速是多少，可以估算出声波振荡的特征尺度，然后根据这个算出对应的尺度去测量宇宙加速膨胀的速度。”陈学雷说。
中国科学院上海天文台研究员张鹏杰举例说，重子声波振荡能够应用到百亿光年的距离上，可以测量到宇宙不同时刻的距离，而且能够直接测出宇宙各个时刻的膨胀速度。张鹏杰表示，在精密宇宙学时代，我们需要对重子声波振荡的精确测量。
“天籁计划”
或将参与观测
重子声波振荡实际上反映了宇宙中物质分布的状况，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。
eBOSS此次获得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。赵公博说，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。
“之前我们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。”赵公博说。
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罗斯（Ashley Ross）说。
“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。”陈学雷说。
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10年内，国内外还将运行一批大型暗能量项目，包括美国的DESI巡天，欧洲的Euclid卫星项目等。国内，规划中的“12米光学红外望远镜”未来将加入大视场巡天工作；而不同于光学观测方法，中国科学院国家天文台等机构推进的“天籁计划”将采取射电观测方法，目前正在探索阶段。

小林芳雄

不看不知道，世界真奇妙