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最大巡天项目绘制宇宙大尺度结构 3D 图

时间: 2017年06月08日 | 作者: 金庄维 | 来源: 科研圈
斯隆数字巡天第四阶段的三个巡天项目之一eBOSS公布了最新结果。

 

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北京时间 2017 年 5 月 19 日,世界最大星系巡天 eBOSS 国际科技计划合作组织发布了最新科学成果:eBOSS 合作组通过观测距离我们 68 亿光年到 105 亿光年之间(对应红移 0.8 到 2.2 之间)宇宙深处类星体的空间分布,绘制出宇宙大尺度结构 3D 图,并且发现了显著的重子声波振荡信号。结合其他观测结果,宇宙大尺度结构星系巡天在 6.5 个标准差水平上证实了暗能量的存在。这是人类首次成功利用遥远的类星体探测宇宙的膨胀历史。 研究论文于 2017 年 5 月 19 日在科学预印本网站发布(http://arxiv.org/abs/1705.06373)。eBOSS 合作组也于当天发布了研究成果。

 

巡天项目 eBOSS

 

eBOSS 是斯隆数字巡天第四阶段(SDSS-IV)的三个巡天项目之一。SDSS 是迄今为止最大规模的星系图像和光谱巡天项目。自 2000 年运行以来,它绘制了全天四分之一星空的天图,并且进行了详细的星系际“人口普查”:获得超过 100 万星系、类星体和恒星的光学光谱数据。SDSS-IV 于 2014 年 7 月 15 日正式启动运行,其中 eBOSS 子项目的目标是精确测量宇宙的膨胀历史,提高对暗能量的限制。具体而言,eBOSS 将绘制宇宙诞生 30-80 亿年间星系和类星体的分布图,填补现有宇宙结构分布 3D 图在该时段的空白。根据这张 3D 图,再加上重子声波振荡,研究人员便能对暗能量进行限制。

 

国家天文台赵公博研究员自 2015 年起担任 eBOSS 国际合作组星系成团性工作组联合组长。2015 年至今,他领导 eBOSS 合作组按计划顺利完成了类星体巡天观测和数据处理,以及暗能量等宇宙学前沿问题研究。

 

来自宇宙深处的光芒

 

为什么 eBOSS 将类星体列为观测目标?类星体是迄今为止人类所观测到的最遥远的天体。它们的亮度极高,这源于类星体中心存在的超大质量黑洞。随着物质和能量落入黑洞,类星体便开始发光发热,在地球上利用直径 2.5m 的望远镜(斯隆望远镜)就能够看得到,因此成为巡天观测的理想目标。由于这些类星体非常遥远,它们发出的光线得花相当长的时间才能到达地球,我们通过这些类星体的光线能够看到宇宙在 30-70 亿岁时候的样子——那时的宇宙还非常年轻

 

eBOSS 项目启动两年多来,研究人员通过观测确定了 147000 多颗类星体的 3D 位置。平日里仰望星空时,我们只能看到星星在天空中的位置(2D),却不知道它们距离我们有多远。对于类星体这样遥远的天体,它的距离可以通过红移来确定。由于我们的宇宙在膨胀,距离越远的天体离开我们的速度也越快。根据多普勒效应,这些天体发出的光的频率就会变低。简单地说,越远的天体也越红。由于天体的光谱具有一定的特征,我们通过测量红移便能知道天体的距离,得到类星体的 3D 位置。eBOSS 的最新成果之一便是首次完全利用类星体的位置信息绘制出宇宙大尺度结构 3D 图。

 

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宇宙三维图像切片图。观测者到星系和类星体的距离以回溯时间(lookback time)标注。回溯时间表示从遥远天体发出的光到达观测者所经历的时间。图中红点表示类星体(拥有超大质量黑洞的星系)的坐标位置,黄色点对应斯隆数字化巡天(SDSS)观测到的近邻星系。右边缘对应可观测宇宙的极限,从中可以看到大爆炸之后留下的宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,CMB)。图中所示是欧洲空间局的 Planck 卫星观测到的宇宙微波背景涨落。类星体和可观测宇宙边缘的中间黑色区域称作黑暗时期,表示大部分的恒星,星系或类星体还未形成的时期(图像版权:阿南德·赖久尔和 SDSS 合作组)。

 

聆听太古之初的“声音”

 

想要知道宇宙的膨胀历史,光有这张 3D 图不够,研究人员还需要借助重子声波振荡(baryon acoustic oscillations,BAOs)。

 

早期宇宙中充满高温高密度的等离子体,这里的“重子”指的就是等离子体中的离子(包含了质子和中子)。总体上看,等离子体的分布是均匀的;但是从局部来看,有些地方的密度会略高一点,而另一些地方的密度则略低,专业术语称之为“密度涨落”。密度涨落会在等离子体中以波的形式传播,产生“重子声波振荡”。之所以称为“声波振荡”,是因为这种波的传播方式和声波非常类似。

 

在宇宙 38 万岁时,这些声波被冻结住,我们可以从宇宙微波背景(CMB)中看到早期的 BAO 信号。而通过宇宙大尺度结构 3D 图,我们能够得到现在的 BAO 信号。通过比较 BAO 信号发生的变化,研究人员便能推断出宇宙的膨胀历史,进而对暗能量作出限制——这次的结果在 6.5 个标准差水平上证实了暗能量的存在!继超新星、宇宙微波背景辐射之后,BAO 成为暗能量存在的又一个独立证据。

 

此外,由于这张 3D 图是完全利用类星体的位置信息绘制而成,从中看到的 BAO 信号便是根据类星体的分布发现的,这和以往利用星系进行的 BAO 信号测量形成互补。这些结果都表明:爱因斯坦的广义相对论,以及建立在此基础之上的宇宙学标准模型都和实验观测符合得非常好。

 

目前,eBOSS 项目仍在正常运转中。未来 10 年内,国内外将运行一批大型暗能量项目,包括中科院国家天文台的陈学雷研究员领导的天籁实验(旨在探索用射电方法进行重子声波振荡探测),美国的 DESI 巡天,欧洲的 Euclid 卫星项目等。依托这些大型科学巡天项目,我们期待能够早日揭示暗能量的本质和宇宙加速膨胀背后的物理。

 

感谢 eBOSS 国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博对本文进行审阅!

 

撰文 金庄维

 

参考来源

1. http://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/201705/t20170522_4795441.html

2. http://www.sdss.org/press-releases/astronomers-make-the-largest-map-of-the-universe-yet/

3. http://skyserver.sdss.org/dr6/zh/sdss/

4. http://qosmology.org/what-is-baryon-acoustic-oscillations/

5. http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2017-06/02/nw.D110000renmrb_20170602_1-15.htm