“暗能量”的新证据 —— 来自宇宙深处的“声音”

美丽人生之梦 2017-06-08

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你离我越是遥远，我对你越是思念，天文学家对宇宙的感情正是如此。当仰望夜空，看到繁星点点，一个天文学家不仅能告诉你十二星座在哪里，还能为你找到一张笑脸（如图1左图所示星系团SDSS J1038+4849中心的强引力透镜现象），或者想象着把星系连接起来画圈圈（如图1右图所示）。天文学家拍摄天体不是为了自娱自乐，而是为了理解宇宙的演化历史及其背后的物理规律。

图1.左图：星系团 SDSS J1038+4849 中心的强引力透镜现象。图像版权：NASA/ESA。右图：不要当真，一副有物理内涵的艺术想象图，表示早期宇宙产生的重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）在星系分布中留下的遗迹。图像版权：Zosia Rostomian (LBNL), SDSS-III, BOSS.

天文学家总是希望能在宇宙深处观测到尽可能多的天体（包括行星、恒星、星系、超新星、类星体和黑洞等），这不仅是为了研究这些天体本身的物理性质和演化规律，更重要的是我们可以根据这些天体的时空分布或某些内禀性质研究宇宙的演化规律。例如，由于某一类超新星爆发时的光度曲线几乎一致，根据这一类超新星的内禀光度，通过对比其观测亮度和绝对亮度，我们能够获得它们的距离，这使它们成为了测量宇宙学距离的“标准烛光”（烛光一词来自于其光度属性）。1998年，由 Riess 和 Schmidt ，以及 Perlmutter 领导的两个独立小组通过研究 Ia 型超新星的观测数据发现了宇宙加速膨胀的事实，这个发现为宇宙学的研究开启了一个新的篇章，但同时让物理学的天空中浮现出了一朵新的乌云——暗能量。

其实，在大部分的时间里宇宙并不是加速膨胀的，只是到了大约40亿年前（红移约0.4时）暗能量才开始主导宇宙，并使宇宙加速膨胀。也恰好在这一时期，银河系中诞生了我们人类赖以生存的太阳系。

宇宙中存在太多的巧合和未知，但又是可以理解的。我们不知道暗物质是什么，但我们知道它有引力作用；我们不知道暗能量是什么，但我们知道它具有反引力的性质，而且没有成团性；我们知道重子物质是什么，但它们只占总能量密度的不到5%。对暗物质和暗能量本质的理解关乎我们宇宙未来的命运，或膨胀，或收缩，或膨胀收缩循环往复。要了解宇宙的全部，就需要观测更深处的宇宙。微波背景辐射（Cosmic Microwave Background,CMB）是可观测宇宙的边缘，“标准烛光”超新星和“标准尺子”重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）是测量宇宙距离和膨胀历史的重要探针。

那么到底什么是重子声波振荡（BAO）呢？它是早期宇宙中存在的一种类似于声学振荡的现象，它的特征尺度就像音乐中的基音所对应的特征波长。按照现在的宇宙学标准模型，我们知道早期的宇宙诞生（暴胀）得比较突然，宇宙看起来是均匀各向同性的，比较懵懂，但又蠢蠢欲动，微小的涨落无处不在。诞生约10秒后，宇宙中布满了由光子和重子形成的等离子浆。光子由于自由电子的存在而与重子（质子）耦合在一起。由于涨落，重子不仅受到涨落产生的引力势的影响，还受到光子产生的辐射压影响，引力和辐射压相互抗衡，从而形成了类似于声波振荡的纵波。在再复合（recombination）之前（温度大于3000K），光子和重子是一直耦合在一起的，这种状态持续了大约38万年。再复合时期，原子核俘获了电子，从而光子与重子退耦，自由光子经过了138亿年的宇宙膨胀历史形成了今天我们看到的宇宙微波背景辐射 CMB ，其包含了宇宙早期密度涨落的重要信息，保留了与重子耦合时期振荡过的遗迹，即在 CMB 中存在一个角度为0.6度的特征声学尺度，考虑 Planck 宇宙学参数，其在今天对应的尺度约147 Mpc （～4.8亿光年）。失去了光子辐射压的重子受到暗物质引力的吸引，开始了大尺度结构形成的漫长历史。但是，当给定一个星系，在一定距离上统计发现另一个星系的概率的时候（即测量星系间的两点相关函数），我们会发现在大约4.8亿光年的共动距离上也会有一个小的突起。这与 CMB 中观测到的尺度完全一致。也就是说我们可以以宇宙38万年时刻的 BAO 尺度作为标准，通过测量在不同红移（年龄）处的 BAO 尺度，就能够获知宇宙的膨胀历史（如图2所示）。