莱曼α森林和BOSS巡天

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BOSS即将发布最新结果,使用大量类星体的莱曼α森林来精确测量宇宙膨胀率。这里随手写一些关于莱曼α森林Lyman-alpha forest)的简单科普。

遥远的高红移类星体的光,在到达我们的途中会遇到气体团,气体团里的中性氢会在类星体光谱上留下莱曼α吸收线。由于宇宙膨胀,类星体的光被不断红移,因此沿途不同时期遇到的气体团会在光谱的不同位置留下莱曼α吸收线,最终结果是一系列的吸收线,这被称为“莱曼α森林”。低红移类星体则上无此现象。下图比较了两个不同红移的类星体的光谱,来自William Keel网页

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如果途中遇到高密度的气体,还会产生阻尼莱曼α吸收系Andew Pontzen制作过一个演示视频,很好地展示了类星体光谱经历红移并穿过气体云形成莱曼α森林等特征的整个过程。

利用这一系列的吸收线,莱曼α森林可以告诉我们年轻宇宙中的气体分布,从而可以用来研究大尺度结构演化和宇宙学!一颗类星体的莱曼α森林只能告诉我们沿一个方向上的中性氢分布。然而如果有足够多的高红移类星体,就等于有了一片“背光源”,由它们的光谱可以得到沿各个方向上的气体分布。斯隆数字化巡天的BOSS项目使用了超过14万个类星体的光谱,开创性地绘制了年轻宇宙中的三维中性氢分布图!可参考题图,来自SDSS3网站上的新闻稿

撇开极早期暴胀不谈,宇宙随后的膨胀经历了先减速后加速的过程。年轻宇宙中物质占多数,当时膨胀是减速的;到了后期暗能量逐渐占据主导,宇宙膨胀才开始加速。很多观测测量的都是后期加速阶段的膨胀率,而BOSS使用莱曼α森林直接测量了减速阶段的膨胀率,为我们了解整个膨胀历史添了重要一环。下图译自SDSS3网站上的新闻稿

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2012年时,BOSS团队就已经在DR9的莱曼α森林数据中成功测到了重子声学振荡的信号,当时用了近5万颗类星体的数据。随着BOSS的类星体数据不断增长,下一次的测量必能得到更高精度的结果!

附DR9的莱曼α森林数据覆盖范围展示,原视频David Kirkby制作。
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