中国科学家领衔国际科研团队发现暗能量存在新证据

由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天eBOSS国际科技计划合作组织，近日利用宇宙深处的类星体测量到了显著的重子声波振荡信号，这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据。
　　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说：“合作组通过观测距离我们68亿光年到105亿光年之间宇宙深处类星体的空间分布发现了该信号，这是人类首次利用宇宙深处的类星体成团性进行的重子声波振荡测量，并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后，获得了暗能量存在的又一独立证据，这也再次证实了宇宙在加速膨胀。”
　　要确定宇宙膨胀是加速还是减速，需测量遥远天体间的距离和红移关系。
　　1929年，美国天文学家哈勃发现大多数星系的光谱存在“红移”现象，表明宇宙中的星系在不断离我们远去，而且，离我们越远，远离速度也就越大。
　　天文学家由哈勃的发现倒推出一个猜想：既然天体之间距离越来越远，那么在很久以前，它们说不定汇聚在一起，也就是说宇宙是从一个点开始的。物理学家从这一观点又进一步推测：在过去，宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态，之后不断膨胀到现在的状态。于是，“稳恒宇宙”这一概念被彻底推翻。
　　要确定宇宙的膨胀是加速还是减速，就要测量遥远天体间的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法，是通过测量天体的亮度来推断距离，这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由白矮星吸积物质最后爆炸形成的Ia型超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟，从很远的距离外都能观测到。
　　1998年，由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组“通过超新星发现宇宙正在加速膨胀”。这项研究在2011年被授予了诺贝尔物理学奖。
　　“哈勃发现的是一种时空膨胀效应。”赵公博说，“引力效应只能让宇宙减速膨胀。因此科学家们假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量，称之为暗能量。它具有负压强，能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。”
　　重子声波振荡提供了天然的尺度，可以测量宇宙膨胀速度并证实暗能量的存在
　　除了观测超新星，大尺度星系巡天是另一种研究宇宙加速膨胀的重要手段。
　　国家天文台星系宇宙学部副主任陈学雷说：“大尺度巡天通过望远镜把一个区域的各种天体都观测到。接下来，首先是给这些被观测到的所有星体拍多个波段的照片，然后挑出一些比较远的天体，把它们的单个光谱测出来，根据光谱就可以测量‘红移’，从而绘制星体的三维空间分布。”
　　在eBOSS运行的两年内，天文学家利用斯隆地基望远镜已精确测量了超过14.7万颗类星体的三维空间位置。
　　“通过这些三维信息，就可以重建出这个区域里物质是怎么分布的，哪里疏哪里密，再根据这个密度分布测量出重子振荡声波信号。”陈学雷说。
　　重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹，在宇宙爆炸后约38万年，声波振荡信息被“冻结”。赵公博说，如今宇宙中，仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号，所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。
　　“宇宙太大了，我们不可能像在地面上一样拿一个标准尺度去测量，必须找一个天然尺度去测量它的膨胀速度。那么，重子声波振荡刚好就提供了这样一种天然的尺度。我们根据声速是多少，可以估算出声波振荡的特征尺度，然后根据这个算出对应的尺度去测量宇宙加速膨胀的速度。”陈学雷说。
　　同时，通过重子声波振荡也可以证实暗能量的存在。
　　“暗能量的存在，或者说它所占宇宙能量组分的多少，直接影响重子声波振荡的特征尺度。因此，通过测量重子声波振荡尺度，我们可以反推暗能量组分，如果该组分在高置信度不为0，则说明暗能量的存在。”赵公博说。
　　首次通过观测类星体发现重子声波振荡信号，将来会开展大规模巡天实验
　　此次的重子声波振荡信号是人类首次通过观测宇宙深处的类星体成团性发现的。赵公博说，这些类星体非常遥远，现在看到的是它们在宇宙诞生后30亿年到70亿年间发出的光，远在地球形成之前。
　　“之前我们都是用星系进行重子声波振荡测量，而这次是用类行星，并且是高红移的类星体进行测量，这与之前利用低红移星系进行的测量形成了很好的互补。”赵公博说。
　　那么什么是类星体？为什么会选择用它来观测？
　　“类星体是1963年被天文学家发现的一类特殊天体。它们因为看起来是‘类似恒星的天体’而得名，实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。”赵公博说，“它们的中心其实是质量在太阳千万倍以上的超质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出巨大能量，使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。几乎在整个宇宙空间中，我们都能看到类星体。”
　　“重子声波振荡实际上反映了时空中物质分布的状况，物质密度越高的地方，星系和类星体也越多。这次选择类星体来观测，主要是比较亮一些，在更遥远的地方都可以看到。”陈学雷说。
　　2015年至今，赵公博领导eBOSS国际合作组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，证实了利用红移类星体开展宇宙学研究的可行性与优势，为后续类星体、亮红星系以及发射线星系巡天奠定了基础。该项目受到国家自然科学基金委员会和中国科学院“宇宙结构起源”先导B类专项的支持。
　　目前，eBOSS项目通过美国新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的斯隆望远镜，仍在进行巡天观测。赵公博表示，对于暗能量研究来说，开展大规模巡天实验是重中之重，未来10年内，国内外将运行一批大型暗能量项目，包括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，我们期待揭示暗能量的本质和宇宙加速膨胀背后的新物理。