中國科學家領銜國際科研團隊發現暗能量存在新證據

由中國科學院國家天文臺參與的世界最大星系巡天eBOSS國際科技計劃合作組織，近日利用宇宙深處的類星體測量到了顯著的重子聲波振蕩信號，這也是證明暗能量存在的一個新的獨立證據。

eBOSS國際合作組星系成團性工作組聯合組長、中科院國家天文臺研究員趙公博說：“合作組通過觀測距離我們68億光年到105億光年之間宇宙深處類星體的空間分布發現了該信號，這是人類首次利用宇宙深處的類星體成團性進行的重子聲波振蕩測量，并在超新星、宇宙微波背景輻射觀測之后，獲得了暗能量存在的又一獨立證據，這也再次證實了宇宙在加速膨脹。”

要確定宇宙膨脹是加速還是減速，需測量遙遠天體間的距離和紅移關系

1929年，美國天文學家哈勃發現大多數星系的光譜存在“紅移”現象，表明宇宙中的星系在不斷離我們遠去，而且，離我們越遠，遠離速度也就越大。

天文學家由哈勃的發現倒推出一個猜想：既然天體之間距離越來越遠，那么在很久以前，它們說不定匯聚在一起，也就是說宇宙是從一個點開始的。物理學家從這一觀點又進一步推測：在過去，宇宙曾經處于一個極高密度且極高溫度的狀態，之后不斷膨脹到現在的狀態。于是，“穩恒宇宙”這一概念被徹底推翻。

要確定宇宙的膨脹是加速還是減速，就要測量遙遠天體間的距離和紅移關系。天文學上常用的測距方法，是通過測量天體的亮度來推斷距離，這要選取具有絕對亮度的天體作為標準。由白矮星吸積物質最后爆炸形成的Ia型超新星可以擔任這個角色。其爆發時亮度能與整個星系相比擬，從很遠的距離外都能觀測到。

1998年，由美國、澳大利亞科學家領導的兩個研究小組“通過超新星發現宇宙正在加速膨脹”。這項研究在2011年被授予了諾貝爾物理學獎。

“哈勃發現的是一種時空膨脹效應。”趙公博說，“引力效應只能讓宇宙減速膨脹。因此科學家們假設了一種能推動宇宙加速膨脹的未知神秘力量，稱之為暗能量。它具有負壓強，能使時空在宇宙學尺度上加速膨脹。”

重子聲波振蕩提供了天然的尺度，可以測量宇宙膨脹速度并證實暗能量的存在

除了觀測超新星，大尺度星系巡天是另一種研究宇宙加速膨脹的重要手段。

國家天文臺星系宇宙學部副主任陳學雷說：“大尺度巡天通過望遠鏡把一個區域的各種天體都觀測到。接下來，首先是給這些被觀測到的所有星體拍多個波段的照片，然后挑出一些比較遠的天體，把它們的單個光譜測出來，根據光譜就可以測量‘紅移’，從而繪制星體的三維空間分布。”

在eBOSS運行的兩年內，天文學家利用斯隆地基望遠鏡已精確測量了超過14.7萬顆類星體的三維空間位置。

“通過這些三維信息，就可以重建出這個區域里物質是怎么分布的，哪里疏哪里密，再根據這個密度分布測量出重子振蕩聲波信號。”陳學雷說。

重子聲波振蕩是早期宇宙中聲波振蕩留下的遺跡，在宇宙爆炸后約38萬年，聲波振蕩信息被“凍結”。趙公博說，如今宇宙中，仍包含著與大爆炸時相同的重子聲波振蕩信號，所以可將其作為“標準尺”測量宇宙遙遠天體間的距離從而確定宇宙的膨脹速度。

“宇宙太大了，我們不可能像在地面上一樣拿一個標準尺度去測量，必須找一個天然尺度去測量它的膨脹速度。那么，重子聲波振蕩剛好就提供了這樣一種天然的尺度。我們根據聲速是多少，可以估算出聲波振蕩的特征尺度，然后根據這個算出對應的尺度去測量宇宙加速膨脹的速度。”陳學雷說。

同時，通過重子聲波振蕩也可以證實暗能量的存在。

“暗能量的存在，或者說它所占宇宙能量組分的多少，直接影響重子聲波振蕩的特征尺度。因此，通過測量重子聲波振蕩尺度，我們可以反推暗能量組分，如果該組分在高置信度不為0，則說明暗能量的存在。”趙公博說。

首次通過觀測類星體發現重子聲波振蕩信號，將來會開展大規模巡天實驗

此次的重子聲波振蕩信號是人類首次通過觀測宇宙深處的類星體成團性發現的。趙公博說，這些類星體非常遙遠，現在看到的是它們在宇宙誕生后30億年到70億年間發出的光，遠在地球形成之前。

“之前我們都是用星系進行重子聲波振蕩測量，而這次是用類行星，并且是高紅移的類星體進行測量，這與之前利用低紅移星系進行的測量形成了很好的互補。”趙公博說。

那么什么是類星體？為什么會選擇用它來觀測？

“類星體是1963年被天文學家發現的一類特殊天體。它們因為看起來是‘類似恒星的天體’而得名，實際上卻是銀河系外能量巨大的遙遠天體。”趙公博說，“它們的中心其實是質量在太陽千萬倍以上的超質量黑洞。這些黑洞周圍豐富的物質發出巨大能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。幾乎在整個宇宙空間中，我們都能看到類星體。”

“重子聲波振蕩實際上反映了時空中物質分布的狀況，物質密度越高的地方，星系和類星體也越多。這次選擇類星體來觀測，主要是比較亮一些，在更遙遠的地方都可以看到。”陳學雷說。

2015年至今，趙公博領導eBOSS國際合作組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，證實了利用紅移類星體開展宇宙學研究的可行性與優勢，為后續類星體、亮紅星系以及發射線星系巡天奠定了基礎。該項目受到國家自然科學基金委員會和中國科學院“宇宙結構起源”先導B類專項的支持。

目前，eBOSS項目通過美國新墨西哥州阿帕奇山頂天文臺的斯隆望遠鏡，仍在進行巡天觀測。趙公博表示，對于暗能量研究來說，開展大規模巡天實驗是重中之重，未來10年內，國內外將運行一批大型暗能量項目，包括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。依托這些大型科學巡天項目，我們期待揭示暗能量的本質和宇宙加速膨脹背后的新物理。