由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)參與的世界最大星系巡天eBOSS國(guó)際科技計(jì)劃合作組織，近日利用宇宙深處的類星體測(cè)量到了顯著的重子聲波振蕩信號(hào)，這也是證明暗能量存在的一個(gè)新的獨(dú)立證據(jù)。
eBOSS國(guó)際合作組星系成團(tuán)性工作組聯(lián)合組長(zhǎng)、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員趙公博說(shuō)：“合作組通過(guò)觀測(cè)距離我們68億光年到105億光年之間宇宙深處類星體的空間分布發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)，這是人類首次利用宇宙深處的類星體成團(tuán)性進(jìn)行的重子聲波振蕩測(cè)量，并在超新星、宇宙微波背景輻射觀測(cè)之后，獲得了暗能量存在的又一獨(dú)立證據(jù)，這也再次證實(shí)了宇宙在加速膨脹?！?/p>
要確定宇宙膨脹是加速還是減速，需測(cè)量遙遠(yuǎn)天體間的距離和紅移關(guān)系
1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜存在“紅移”現(xiàn)象，表明宇宙中的星系在不斷離我們遠(yuǎn)去，而且，離我們?cè)竭h(yuǎn)，遠(yuǎn)離速度也就越大。
天文學(xué)家由哈勃的發(fā)現(xiàn)倒推出一個(gè)猜想：既然天體之間距離越來(lái)越遠(yuǎn)，那么在很久以前，它們說(shuō)不定匯聚在一起，也就是說(shuō)宇宙是從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始的。物理學(xué)家從這一觀點(diǎn)又進(jìn)一步推測(cè)：在過(guò)去，宇宙曾經(jīng)處于一個(gè)極高密度且極高溫度的狀態(tài)，之后不斷膨脹到現(xiàn)在的狀態(tài)。于是，“穩(wěn)恒宇宙”這一概念被徹底推翻。
要確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就要測(cè)量遙遠(yuǎn)天體間的距離和紅移關(guān)系。天文學(xué)上常用的測(cè)距方法，是通過(guò)測(cè)量天體的亮度來(lái)推斷距離，這要選取具有絕對(duì)亮度的天體作為標(biāo)準(zhǔn)。由白矮星吸積物質(zhì)最后爆炸形成的Ia型超新星可以擔(dān)任這個(gè)角色。其爆發(fā)時(shí)亮度能與整個(gè)星系相比擬，從很遠(yuǎn)的距離外都能觀測(cè)到。
1998年，由美國(guó)、澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組“通過(guò)超新星發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹”。這項(xiàng)研究在2011年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
“哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時(shí)空膨脹效應(yīng)?！壁w公博說(shuō)，“引力效應(yīng)只能讓宇宙減速膨脹。因此科學(xué)家們假設(shè)了一種能推動(dòng)宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量。它具有負(fù)壓強(qiáng)，能使時(shí)空在宇宙學(xué)尺度上加速膨脹?！?/p>
重子聲波振蕩提供了天然的尺度，可以測(cè)量宇宙膨脹速度并證實(shí)暗能量的存在
除了觀測(cè)超新星，大尺度星系巡天是另一種研究宇宙加速膨脹的重要手段。
國(guó)家天文臺(tái)星系宇宙學(xué)部副主任陳學(xué)雷說(shuō)：“大尺度巡天通過(guò)望遠(yuǎn)鏡把一個(gè)區(qū)域的各種天體都觀測(cè)到。接下來(lái)，首先是給這些被觀測(cè)到的所有星體拍多個(gè)波段的照片，然后挑出一些比較遠(yuǎn)的天體，把它們的單個(gè)光譜測(cè)出來(lái)，根據(jù)光譜就可以測(cè)量‘紅移’，從而繪制星體的三維空間分布。”
在eBOSS運(yùn)行的兩年內(nèi)，天文學(xué)家利用斯隆地基望遠(yuǎn)鏡已精確測(cè)量了超過(guò)14.7萬(wàn)顆類星體的三維空間位置。
“通過(guò)這些三維信息，就可以重建出這個(gè)區(qū)域里物質(zhì)是怎么分布的，哪里疏哪里密，再根據(jù)這個(gè)密度分布測(cè)量出重子振蕩聲波信號(hào)?！标悓W(xué)雷說(shuō)。
重子聲波振蕩是早期宇宙中聲波振蕩留下的遺跡，在宇宙爆炸后約38萬(wàn)年，聲波振蕩信息被“凍結(jié)”。趙公博說(shuō)，如今宇宙中，仍包含著與大爆炸時(shí)相同的重子聲波振蕩信號(hào)，所以可將其作為“標(biāo)準(zhǔn)尺”測(cè)量宇宙遙遠(yuǎn)天體間的距離從而確定宇宙的膨脹速度。
“宇宙太大了，我們不可能像在地面上一樣拿一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度去測(cè)量，必須找一個(gè)天然尺度去測(cè)量它的膨脹速度。那么，重子聲波振蕩剛好就提供了這樣一種天然的尺度。我們根據(jù)聲速是多少，可以估算出聲波振蕩的特征尺度，然后根據(jù)這個(gè)算出對(duì)應(yīng)的尺度去測(cè)量宇宙加速膨脹的速度?！标悓W(xué)雷說(shuō)。
同時(shí)，通過(guò)重子聲波振蕩也可以證實(shí)暗能量的存在。
“暗能量的存在，或者說(shuō)它所占宇宙能量組分的多少，直接影響重子聲波振蕩的特征尺度。因此，通過(guò)測(cè)量重子聲波振蕩尺度，我們可以反推暗能量組分，如果該組分在高置信度不為0，則說(shuō)明暗能量的存在?！壁w公博說(shuō)。
首次通過(guò)觀測(cè)類星體發(fā)現(xiàn)重子聲波振蕩信號(hào)，將來(lái)會(huì)開(kāi)展大規(guī)模巡天實(shí)驗(yàn)
此次的重子聲波振蕩信號(hào)是人類首次通過(guò)觀測(cè)宇宙深處的類星體成團(tuán)性發(fā)現(xiàn)的。趙公博說(shuō)，這些類星體非常遙遠(yuǎn)，現(xiàn)在看到的是它們?cè)谟钪嬲Q生后30億年到70億年間發(fā)出的光，遠(yuǎn)在地球形成之前。
“之前我們都是用星系進(jìn)行重子聲波振蕩測(cè)量，而這次是用類行星，并且是高紅移的類星體進(jìn)行測(cè)量，這與之前利用低紅移星系進(jìn)行的測(cè)量形成了很好的互補(bǔ)?！壁w公博說(shuō)。
那么什么是類星體？為什么會(huì)選擇用它來(lái)觀測(cè)？
“類星體是1963年被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一類特殊天體。它們因?yàn)榭雌饋?lái)是‘類似恒星的天體’而得名，實(shí)際上卻是銀河系外能量巨大的遙遠(yuǎn)天體。”趙公博說(shuō)，“它們的中心其實(shí)是質(zhì)量在太陽(yáng)千萬(wàn)倍以上的超質(zhì)量黑洞。這些黑洞周圍豐富的物質(zhì)發(fā)出巨大能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。幾乎在整個(gè)宇宙空間中，我們都能看到類星體。”
“重子聲波振蕩實(shí)際上反映了時(shí)空中物質(zhì)分布的狀況，物質(zhì)密度越高的地方，星系和類星體也越多。這次選擇類星體來(lái)觀測(cè)，主要是比較亮一些，在更遙遠(yuǎn)的地方都可以看到?！标悓W(xué)雷說(shuō)。
2015年至今，趙公博領(lǐng)導(dǎo)eBOSS國(guó)際合作組順利完成了類星體巡天觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理，以及暗能量等宇宙學(xué)前沿問(wèn)題研究，證實(shí)了利用紅移類星體開(kāi)展宇宙學(xué)研究的可行性與優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)類星體、亮紅星系以及發(fā)射線星系巡天奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)目受到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院“宇宙結(jié)構(gòu)起源”先導(dǎo)B類專項(xiàng)的支持。
目前，eBOSS項(xiàng)目通過(guò)美國(guó)新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺(tái)的斯隆望遠(yuǎn)鏡，仍在進(jìn)行巡天觀測(cè)。趙公博表示，對(duì)于暗能量研究來(lái)說(shuō)，開(kāi)展大規(guī)模巡天實(shí)驗(yàn)是重中之重，未來(lái)10年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外將運(yùn)行一批大型暗能量項(xiàng)目，包括陳學(xué)雷研究員領(lǐng)導(dǎo)的天籟實(shí)驗(yàn)（旨在探索用射電方法進(jìn)行重子聲波振蕩探測(cè)），美國(guó)的DESI巡天，歐洲的Euclid衛(wèi)星項(xiàng)目等。依托這些大型科學(xué)巡天項(xiàng)目，我們期待揭示暗能量的本質(zhì)和宇宙加速膨脹背后的新物理。
