測(cè)量宇宙的標(biāo)尺

蘇一橫

在天文學(xué)中，絕大多數(shù)的距離測(cè)量依賴于“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。即，天文學(xué)家將挑選出來(lái)的、已知其自身亮度的天體作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量它們的視亮度，再根據(jù)其絕對(duì)亮度，就能推算出它們與地球的距離。造父變星、Ia型超新星（一種由雙星系統(tǒng)發(fā)生爆炸形成的超新星）都是最常見的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

不過，“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的問題在于，天體離我們?cè)竭h(yuǎn)，它們的光就越有可能受到消光的影響。比如，一顆Ia型超新星看起來(lái)比較暗，可能是因?yàn)樗x我們比較遠(yuǎn)，但也有可能是因?yàn)楹芏鄩m埃遮擋了它的光。因此，在測(cè)量大尺度距離時(shí)，“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的可靠性不太好。于是，天文學(xué)家們想到了另一種測(cè)量宇宙距離的方法：重子聲波振蕩。

遠(yuǎn)古的聲波

在物理學(xué)中，基本粒子根據(jù)質(zhì)量的大小可分為重子和輕子兩類。重子是指質(zhì)子、中子這樣的大質(zhì)量粒子，而輕子則指電子、中微子這樣的小質(zhì)量的粒子。

宇宙誕生的早期，溫度很高，氫原子處于電離狀態(tài)。在這樣的宇宙中，只存在暗物質(zhì)、光子以及由致密的重子和電子混合而成的一種與現(xiàn)在固體、液體和氣體不同的第四態(tài)物質(zhì)——等離子體。

最初，宇宙所有的物質(zhì)和暗物質(zhì)雖然在整體上是均勻分布的，但是局部地區(qū)的密度卻有細(xì)小的漲落。密度稍大的地方，引力較大；密度稍小的地方，引力則稍小。暗物質(zhì)比重子等普通物質(zhì)重6倍，它們?cè)谧詣?dòng)聚團(tuán)的同時(shí)，其引力也在誘使等離子體向密度較高的區(qū)域聚集。

不過，光子的存在使情況變得復(fù)雜。光子對(duì)于暗物質(zhì)完全沒有影響，但濃密的光子會(huì)與電子、重子耦合形成一種“等離子體—光子”流體，在等離子體中密度大的地方，雖然引力大，但光子與質(zhì)子、電子相互之間又有排斥力，這樣等離子體就會(huì)像被壓緊了的彈簧，向外反彈。彈到一定程度后，排斥力小于引力時(shí)，引力又會(huì)把這些等離子體壓縮回去。

這樣引力與排斥力一壓一彈，就會(huì) 產(chǎn)生物質(zhì)疏密的振蕩，由于這種振蕩伴隨著質(zhì)子等重子的聚集和擴(kuò)散，所以叫“重子振蕩”。這個(gè)原理與聲音在空氣中傳播引起疏密振蕩的原理相同，因此天文學(xué)家把重子振蕩產(chǎn)生的波叫做重子聲波。

在重子聲波向外傳播的同時(shí)，宇宙隨著膨脹，溫度逐漸降低。到了宇宙大爆炸后約38萬(wàn)年的時(shí)候，溫度已經(jīng)冷卻到3000K，電子和質(zhì)子已經(jīng)可以有效地復(fù)合成中性氫原子。此時(shí)，僅存的光子不足以將氫原子電離破壞，只能自由地在宇宙空間傳播，成為我們今天看到的、彌漫在宇宙中的微波背景輻射。

隨著光子的散開，重子振蕩消失，導(dǎo)致重子聲波的傳播立刻停止。這一場(chǎng)景非常像石子被丟進(jìn)池塘，產(chǎn)生一個(gè)向外擴(kuò)散的球狀波紋，然后池塘瞬間結(jié)冰，波紋也被保留了下來(lái)。

尋尋覓覓找“聲波”

當(dāng)重子聲波凍結(jié)的瞬間，重子物質(zhì)在宇宙空間中形成巨大的波紋式結(jié)構(gòu)——重子物質(zhì)密度大的地方留下的氫原子密度依然高于周圍，圍繞著暗物質(zhì)聚集的中心成了一個(gè)球形的高密度殼層。這個(gè)球的半徑是當(dāng)時(shí)重子聲波的傳播極限，可以叫做“聲速視界”。

因?yàn)橹刈勇暡ㄖ荒軅鬟@么遠(yuǎn)，在“聲速視界”之外，重子振蕩就沒有了。“聲速視界”的大小是由當(dāng)時(shí)的聲速?zèng)Q定的，是個(gè)固定值。天文學(xué)家估算，早期宇宙的重子聲波的聲速能夠與光速比擬，重子聲波凍結(jié)時(shí)的“聲速視界”的物理尺寸大約有38萬(wàn)光年。

但是在隨后的歲月中，“聲速視界”的物理尺寸隨著宇宙的整體膨脹被拉伸，就像氣球上的圖案隨著氣球的膨脹而變大一樣。從聲波凍結(jié)的時(shí)刻到今天，宇宙膨脹了1000多倍，所以，如今“聲速視界”的物理尺寸已經(jīng)拉伸到約4億光年。

如果在宇宙中找到凍結(jié)的重子聲波的遺跡，我們就找到了“聲速視界”，這個(gè)固定的物理尺寸就是宇宙空間中所漂浮著的一把把“標(biāo)尺”。

那么，天文學(xué)家如何在天文觀測(cè)中去找到凍結(jié)的重子聲波呢？答案就是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。

由于重子聲波振蕩導(dǎo)致了一種特殊的物質(zhì)分布不均勻性，所以重子聲波邊緣處（重子較多）和中心處（暗物質(zhì)較多）的物質(zhì)密度都要比周圍高，這些地方后來(lái)都成為了星系形成的種子。也就是說，如今宇宙中不同星系之間的距離其實(shí)是按照“聲速視界”的膨脹演化而來(lái)的。

現(xiàn)在，天文學(xué)家通過大尺度的星系巡天，就可以根據(jù)不同紅移處星系的分布，找到相應(yīng)距離處那把漂浮的“尺子”的大小。

如何用“標(biāo)尺”

科學(xué)家認(rèn)為，找到那把漂浮的“尺子”，在此基礎(chǔ)上，天文學(xué)家就可以計(jì)算星系的距離、哈勃常數(shù)并研究暗能量。

重子聲波振蕩這把“尺子”很準(zhǔn)確，也很有用，但有一點(diǎn)不好——這“尺子”實(shí)在太大了。早在1970年代，天文學(xué)家就意識(shí)到了重子聲波振蕩的存在，但直到2005年，天文學(xué)家通過當(dāng)時(shí)最大的星系巡天——斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目，收集了等效邊長(zhǎng)為50億光年的立方盒子里5萬(wàn)個(gè)亮紅星系的樣本，通過分析，才首次得到了宇宙學(xué)尺度上的重子聲波振蕩。

2017年，目前世界最大星系巡天——拓展的重子振蕩光譜巡天觀測(cè)了距離地球68億光年到105億光年之間宇宙深處類星體的空間分布，又一次發(fā)現(xiàn)了顯著的重子聲波振蕩。而2018年，美國(guó)暗能量光譜儀項(xiàng)目也開始運(yùn)行。暗能量光譜儀將會(huì)捕捉3000萬(wàn)個(gè)星系和類星體的圖像以創(chuàng)建一個(gè)3D地圖，這幅地圖能夠幫助天文學(xué)家探索遠(yuǎn)在100億光年以外的星系。屆時(shí)，重子聲波振蕩將得到更多的天文學(xué)應(yīng)用。