由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)參與的世界最大星系巡天eBOSS國際科技計(jì)劃合作組織，近日利用宇宙深處的類星體測量到了顯著的重子聲波振蕩信號，這也是證明暗能量存在的一個(gè)新的獨(dú)立證據(jù)。
eBOSS國際合作組星系成團(tuán)性工作組聯(lián)合組長、中科院國家天文臺(tái)研究員趙公博說：“合作組通過觀測距離我們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，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量，并在超新星、宇宙微波背景輻射觀測之后，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。”
要確定宇宙膨脹是加速還是減速，需測量遙遠(yuǎn)天體間的距離和紅移關(guān)系
1929年，美國天文學(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，離我們越遠(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越遠(yuǎn)，那么在很久以前，它們說不定匯聚在一起，也就是說宇宙是從一個(gè)點(diǎn)開始的。物理學(xué)家從這一觀點(diǎn)又進(jìn)一步推測：在過去，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)上常用的測距方法，是通過測量天體的亮度來推斷距離，這要選取具有絕對亮度的天體作為標(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)的距離外都能觀測到。
1998年，由美國、澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組“通過超新星發(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)。”趙公博說，“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。”
重子聲波振蕩提供了天然的尺度，可以測量宇宙膨脹速度并證實(shí)暗能量的存在
除了觀測超新星，大尺度星系巡天是另一種研究宇宙加速膨脹的重要手段。
國家天文臺(tái)星系宇宙學(xué)部副主任陳學(xué)雷說：“大尺度巡天通過望遠(yuǎn)鏡把一個(gè)區(qū)域的各種天體都觀測到。接下來，首先是給這些被觀測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)光譜測出來，根據(jù)光譜就可以測量‘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)鏡已精確測量了超過14.7萬顆類星體的三維空間位置。
“通過這些三維信息，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)密度分布測量出重子振蕩聲波信號。”陳學(xué)雷說。
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38萬年，聲波振蕩信息被“凍結(jié)”。趙公博說，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，所以可將其作為“標(biāo)準(zhǔn)尺”測量宇宙遙遠(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)尺度去測量，必須找一個(gè)天然尺度去測量它的膨脹速度。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)算出對應(yīng)的尺度去測量宇宙加速膨脹的速度。”陳學(xué)雷說。
同時(shí)，通過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，通過測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，則說明暗能量的存在。”趙公博說。
首次通過觀測類星體發(fā)現(xiàn)重子聲波振蕩信號，將來會(huì)開展大規(guī)模巡天實(shí)驗(yàn)
此次的重子聲波振蕩信號是人類首次通過觀測宇宙深處的類星體成團(tuán)性發(fā)現(xiàn)的。趙公博說，這些類星體非常遙遠(yuǎn)，現(xiàn)在看到的是它們在宇宙誕生后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)行重子聲波振蕩測量，而這次是用類行星，并且是高紅移的類星體進(jìn)行測量，這與之前利用低紅移星系進(jìn)行的測量形成了很好的互補(bǔ)。”趙公博說。
那么什么是類星體？為什么會(huì)選擇用它來觀測？
“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)榭雌饋硎?lsquo;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，“它們的中心其實(shí)是質(zhì)量在太陽千萬倍以上的超質(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。這次選擇類星體來觀測，主要是比較亮一些，在更遙遠(yuǎn)的地方都可以看到。”陳學(xué)雷說。
2015年至今，趙公博領(lǐng)導(dǎo)eBOSS國際合作組順利完成了類星體巡天觀測和數(shù)據(jù)處理，以及暗能量等宇宙學(xué)前沿問題研究，證實(shí)了利用紅移類星體開展宇宙學(xué)研究的可行性與優(yōu)勢，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)目受到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(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)目通過美國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。趙公博表示，對于暗能量研究來說，開展大規(guī)模巡天實(shí)驗(yàn)是重中之重，未來10年內(nèi)，國內(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)，美國的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。
責(zé)任編輯：張佳佳
