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测量宇宙的标尺 ——重子声波振荡

在天文学中,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、Ia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Ia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: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——等离子体。

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,其引力也在诱使等离子体向密度较高的区域聚集。

不过,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、重子耦合形成一种“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。到了宇宙大爆炸后约38万年的时候,温度已经冷却到3000K,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,成为我们今天看到的、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”之外,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,我们就找到了“声速视界”,这个固定的物理尺寸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,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,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3000万个星系和类星体的图像以创建一个3D地图,这幅地图能够帮助天文学家探索远在100亿光年以外的星系。届时,重子声波振荡将得到更多的天文学应用。

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