最大巡天項目繪製宇宙大尺度結構 3D 圖

　　時間: 2017年06月08日 | 作者: 金庄維 | 來源: 科研圈

       斯隆數字巡天第四階段的三個巡天項目之一eBOSS公布了最新結果。

　　

　　北京時間 2017 年 5 月 19 日，世界最大星系巡天 eBOSS 國際科技計劃合作組織發布了最新科學成果：eBOSS 合作組通過觀測距離我們 68 億光年到 105 億光年之間（對應紅移 0.8 到 2.2 之間）宇宙深處類星體的空間分佈，繪製出宇宙大尺度結構 3D 圖，並且發現了顯著的重子聲波振蕩信號。結合其他觀測結果，宇宙大尺度結構星系巡天在 6.5 個標準差水平上證實了暗能量的存在。這是人類首次成功利用遙遠的類星體探測宇宙的膨脹歷史。 研究論文於 2017 年 5 月 19 日在科學預印本網站發布（http://arxiv.org/abs/1705.06373）。eBOSS 合作組也於當天發布了研究成果。

　　巡天項目 eBOSS

　　eBOSS 是斯隆數字巡天第四階段（SDSS-IV）的三個巡天項目之一。SDSS 是迄今為止最大規模的星系圖像和光譜巡天項目。自 2000 年運行以來，它繪製了全天四分之一星空的天圖，並且進行了詳細的星系際「人口普查」：獲得超過 100 萬星系、類星體和恆星的光學光譜數據。SDSS-IV 於 2014 年 7 月 15 日正式啟動運行，其中 eBOSS 子項目的目標是精確測量宇宙的膨脹歷史，提高對暗能量的限制。具體而言，eBOSS 將繪製宇宙誕生 30-80 億年間星系和類星體的分布圖，填補現有宇宙結構分佈 3D 圖在該時段的空白。根據這張 3D 圖，再加上重子聲波振蕩，研究人員便能對暗能量進行限制。

　　國家天文台趙公博研究員自 2015 年起擔任 eBOSS 國際合作組星系成團性工作組聯合組長。2015 年至今，他領導 eBOSS 合作組按計劃順利完成了類星體巡天觀測和數據處理，以及暗能量等宇宙學前沿問題研究。

　　來自宇宙深處的光芒

　　為什麼 eBOSS 將類星體列為觀測目標？類星體是迄今為止人類所觀測到的最遙遠的天體。它們的亮度極高，這源於類星體中心存在的超大質量黑洞。隨著物質和能量落入黑洞，類星體便開始發光發熱，在地球上利用直徑 2.5m 的望遠鏡（斯隆望遠鏡）就能夠看得到，因此成為巡天觀測的理想目標。由於這些類星體非常遙遠，它們發出的光線得花相當長的時間才能到達地球，我們通過這些類星體的光線能夠看到宇宙在 30-70 億歲時候的樣子——那時的宇宙還非常年輕〜

　　eBOSS 項目啟動兩年多來，研究人員通過觀測確定了 147000 多顆類星體的 3D 位置。平日里仰望星空時，我們只能看到星星在天空中的位置（2D），卻不知道它們距離我們有多遠。對於類星體這樣遙遠的天體，它的距離可以通過紅移來確定。由於我們的宇宙在膨脹，距離越遠的天體離開我們的速度也越快。根據多普勒效應，這些天體發出的光的頻率就會變低。簡單地說，越遠的天體也越紅。由於天體的光譜具有一定的特徵，我們通過測量紅移便能知道天體的距離，得到類星體的 3D 位置。eBOSS 的最新成果之一便是首次完全利用類星體的位置信息繪製出宇宙大尺度結構 3D 圖。

　　

　　宇宙三維圖像切片圖。觀測者到星系和類星體的距離以回溯時間（lookback time）標註。回溯時間表示從遙遠天體發出的光到達觀測者所經歷的時間。圖中紅點表示類星體（擁有超大質量黑洞的星系）的坐標位置，黃色點對應斯隆數字化巡天（SDSS）觀測到的近鄰星系。右邊緣對應可觀測宇宙的極限，從中可以看到大爆炸之後留下的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）。圖中所示是歐洲空間局的 Planck 衛星觀測到的宇宙微波背景漲落。類星體和可觀測宇宙邊緣的中間黑色區域稱作黑暗時期，表示大部分的恆星，星系或類星體還未形成的時期（圖像版權：阿南德·賴久爾和 SDSS 合作組）。

　　聆聽太古之初的「聲音」

　　想要知道宇宙的膨脹歷史，光有這張 3D 圖不夠，研究人員還需要藉助重子聲波振蕩（baryon acoustic oscillations，BAOs）。

　　早期宇宙中充滿高溫高密度的等離子體，這裡的「重子」指的就是等離子體中的離子（包含了質子和中子）。總體上看，等離子體的分佈是均勻的；但是從局部來看，有些地方的密度會略高一點，而另一些地方的密度則略低，專業術語稱之為「密度漲落」。密度漲落會在等離子體中以波的形式傳播，產生「重子聲波振蕩」。之所以稱為「聲波振蕩」，是因為這種波的傳播方式和聲波非常類似。

　　在宇宙 38 萬歲時，這些聲波被凍結住，我們可以從宇宙微波背景（CMB）中看到早期的 BAO 信號。而通過宇宙大尺度結構 3D 圖，我們能夠得到現在的 BAO 信號。通過比較 BAO 信號發生的變化，研究人員便能推斷出宇宙的膨脹歷史，進而對暗能量作出限制——這次的結果在 6.5 個標準差水平上證實了暗能量的存在！繼超新星、宇宙微波背景輻射之後，BAO 成為暗能量存在的又一個獨立證據。

　　此外，由於這張 3D 圖是完全利用類星體的位置信息繪製而成，從中看到的 BAO 信號便是根據類星體的分佈發現的，這和以往利用星系進行的 BAO 信號測量形成互補。這些結果都表明：愛因斯坦的廣義相對論，以及建立在此基礎之上的宇宙學標準模型都和實驗觀測符合得非常好。

　　目前，eBOSS 項目仍在正常運轉中。未來 10 年內，國內外將運行一批大型暗能量項目，包括中科院國家天文台的陳學雷研究員領導的天籟實驗（旨在探索用射電方法進行重子聲波振蕩探測），美國的 DESI 巡天，歐洲的 Euclid 衛星項目等。依託這些大型科學巡天項目，我們期待能夠早日揭示暗能量的本質和宇宙加速膨脹背後的物理。

　　感謝 eBOSS 國際合作組星系成團性工作組聯合組長、中科院國家天文台研究員趙公博對本文進行審閱！

　　撰文 金庄維