什么是“重子声学振荡”

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重子声学振荡(Baryon Acoustic Oscillations,简称BAO)是宇宙学中一个非常重要的概念。这个名字看起来有点复杂且吓人,但其实概念上并不是太难理解。这里我试着用最简单的语言来解释一下BAO的基本概念。

大量的现代天文学观测显示,早期宇宙中充满着高温高密度的等离子体,我们这里所说的“重子”指的就是等离子体中的离子(包含了质子和中子)。总体上来说,早期宇宙中的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会略低,这称之为“密度涨落”。密度涨落会在等离子体中以波的形式传播,产生“重子声学振荡”。之所以称其为“声学振荡”,是因为这种波和声波非常类似,都是依靠介质密度的变化来传播的纵波。

随着宇宙不断膨胀并冷却下来,这种振荡很快变得无法继续传播,但是早先的振荡会在很多地方留下其痕迹。如今,我们即可以从宇宙微波背景辐射中观测到早期BAO信号,也可以通过研究当前宇宙中星系的分布来从统计学上找到BAO信号。这些观测可以互相补充和印证,从而为我们研究宇宙的结构和演化提供了一个极其重要的工具。

我们也可以用一个不太严格的简单类比来描述这个过程。想象早期宇宙就像流动的湖面,总体上看很平整,但是到处都有着波动的涟漪。当湖面冷却结冰以后,湖面虽然不再波动,但是固定的冰面上依然可以看到各种起伏,这些起伏就是早先波动的涟漪所留下的痕迹。通过观测当前冰面的起伏,我们可以从统计学上来推断之前波动的湖面到底是什么模样。

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早期宇宙中的“涟漪”会在当前宇宙的星系分布中留下痕迹

探测BAO信号是很多星系红移巡天项目的主要动机之一,因为想要从星系分布中探测到BAO信号,我们需要一份大规模的星系三维地图。斯隆数字化巡天(SDSS)和2度视场星系红移巡天(2dFGRS)是最早探测到BAO信号的巡天项目,随后的一系列巡天项目都先后探测到了BAO信号,包括WiggleZ暗能量巡天、6度视场星系红移巡天(6dFGRS)、以及SDSS第三期项目中的重子振荡光谱巡天(BOSS)等等。未来的红移巡天项目将拥有更大的规模,使我们能够更为精确地测量BAO信号,从而进一步了解我们的宇宙。

 


这是我为@斯隆数字化巡天微博写的一个介绍BAO概念的小文章,最早发布于该微博的长微博和新浪博客。
图1来自SDSS3.org,由Chris Blake和Sam Moorfield制作。图2来自SDSS3.org,由Zosia Rostomian制作。
更多详情可参考维基百科页面BOSS巡天项目网站

 

对《什么是“重子声学振荡”》有4个想法

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