科學家首次用類星體進行重子聲波振蕩測量

  近日，世界最大星系巡天eBOSS國際科學合作組發(fā)現(xiàn)了顯著的重子聲波振蕩信號，并實現(xiàn)了首次用宇宙深處的類星體進行的重子聲波振蕩測量，證實了宇宙在加速膨脹。
 eBOSS國際合作組星系成團性工作組聯(lián)合組長、中科院國家天文臺研究員趙公博22日介紹，這是首次利用宇宙深處的類星體進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立證據(jù)，這也再次證實了宇宙在加速膨脹。
 1929年，美國天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜存在紅移現(xiàn)象，表明這些天體在逐漸后退遠離我們，意味著整個宇宙處于膨脹狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)在當時震驚世界，讓千百年來認為“宇宙為靜態(tài)”的觀點被打破。
 “哈勃發(fā)現(xiàn)的是一種時空膨脹效應?！壁w公博說，“引力效應只能讓宇宙減速膨脹，而科學家假設了一種能推動宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量。它具有負壓強，能使時空在宇宙學尺度上加速膨脹。”
 要確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就要測量遙遠天體的距離和紅移關系。天文學上常用的測距方法，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準。由恒星演化到最后發(fā)生爆炸而形成的超新星可以擔任這個角色。其爆發(fā)時亮度能與整個星系相比擬，從很遠的距離外都能觀測到。1998年，由美國、澳大利亞科學家領導的兩個研究小組，幾乎同時在超新星觀測中發(fā)現(xiàn)了暗能量存在的證據(jù)，以此獲得了2011年諾貝爾物理學獎。
  除了超新星，大尺度星系巡天是開展宇宙學研究的重要探針。2015年至今，趙公博領導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前沿問題研究，證實了利用紅移類星體開展宇宙學研究的可行性與優(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。該項目受到國家自然科學基金委員會和中國科學院“宇宙結構起源”先導B類專項的支持。
 類星體是由超大質量黑洞驅動的高光度天體，當物質和能量落向其中心的黑洞，溫度會升高并放出耀眼的光輝，在地球上用2.5米直徑望遠鏡就能觀測到?！皫缀踉谡麄€宇宙空間中，我們都能看到類星體。它們是繪制目前為止最大宇宙圖像的理想天體。”eBOSS星系成團性工作組負責人之一阿什利·羅斯說。
  趙公博介紹說，這些類星體非常遙遠，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，遠在地球形成之前。
  兩年來，天文學家精確測量了超過14.7萬顆類星體的三維空間位置，繪制了揭示宇宙大尺度結構的圖像。但要理解宇宙的膨脹歷史，單單一張圖并不夠?！斑@就需要重子聲波振蕩這把測量宇宙幾何的標準尺。”趙公博說。
  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”。趙公博說，如今宇宙中，仍包含著與大爆炸時相同的重子聲波振蕩信號，它可以作為測量宇宙中類星體距離的標尺。據(jù)了解，此前已有研究團隊對近鄰星系以及星際塵埃粒子做了重子聲波振蕩測量，并用這項技術測量到了地球形成前20億年的宇宙。
  eBOSS合作組此次發(fā)布的最新成果，確認了20年來科學家建立起的標準宇宙學模型。該模型框架下，宇宙的演化與愛因斯坦廣義相對論一致，包括可觀測但本質仍未知的能量組分。除了構成恒星、星系等的普通物質，宇宙中還包括不可見但具有引力效應的暗物質，以及神秘的暗能量。在當前宇宙中，暗能量占據(jù)主導地位，并推動宇宙加速膨脹。
 目前，eBOSS項目通過美國新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺的斯隆望遠鏡，仍在進行巡天觀測。趙公博表示，對于暗能量研究來說，開展大規(guī)模巡天實驗是重中之重，未來十年內，國內外將運行一批大型暗能量項目。他介紹，“十三五”期間，我國將建造一架12米口徑的光學望遠鏡(LOT)，開展超新星和重子聲波振蕩巡天實驗。屆時LOT將是國際上規(guī)模最大的暗能量巡天望遠鏡之一。五年內，位于我國西藏阿里地區(qū)的微波背景輻射實驗室也將建成，其不僅對暗能量研究具有重要意義，還將搜尋宇宙原初的引力波信號，利用宇宙極早期微波背景輻射檢驗廣義相對論。
  編輯點評
  我國在科學研究領域不斷取得突破性進展，不僅向全世界展示了我國的科研實力，也為人類探索世界奧秘提供了幫助。此次，我國首次利用類星體進行重子聲波振蕩測量，證實了整個宇宙處于膨脹狀態(tài)的觀點，讓千百年來認為“宇宙為靜態(tài)”的觀點被徹底打破，為人類繼續(xù)探索地球提供了科學支撐。