早期宇宙的新地圖如何像刺蝟

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一種研究暗能量的新方法使天文學家能夠比以往任何時候都更深入地瞭解過去,揭示了一個與我們今天所居住的宇宙截然不同的宇宙。

今天的宇宙正在膨脹。不僅如此,它的膨脹還在加速。星系不僅一直在離我們越來越遠,而且它們每天都在加速遠離我們。

這種情況在我們存在之前很久就一直如此。儘管如此,我們並非一直知道這一點。事實上,直到 1998 年,我們還認為膨脹正在減速。但是,自從宇宙大約六十億歲以來,它一直被一種我們稱之為暗能量的未知力量所主導,這種力量正在將一切事物推得越來越遠。


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暗能量很奇怪。正如 凱蒂·麥克 在今年早些時候在 她的部落格 中所說的那樣

很難向非物理學家表達暗能量有多麼奇怪,因為大多數人都習慣於在物理學中遇到他們不理解的事情,並且他們通常認為其他人已經掌握了情況。暗能量的情況並非如此。

我們很確定在暗能量出現之前有一段時間。在宇宙誕生後的最初六十億年左右,其膨脹受物質控制。這意味著宇宙的膨脹實際上隨著時間的推移而減慢,因為引力將一切事物聚集在一起。

但今天,暗能量就像一種反引力,將星系推開的速度比引力將它們拉到一起的速度快。

為了試圖弄清暗能量到底是什麼,一些天文學家繪製了地圖。透過測量宇宙中的距離,他們可以計算出宇宙膨脹的速度,並測量暗能量的影響。測量暗能量的作用可以幫助我們縮小它的範圍。

到目前為止,所有這些地圖都是在暗能量開始接管之後的時間。原因之一是,研究早期宇宙很困難,因為沒有太多明亮的天體,BOSS 實驗的首席研究員大衛·謝爾格說,BOSS 是 重子振盪光譜巡天

因此,為了瞥見早期,BOSS 現在所做的(並在該合作小組 今天在 arXiv 上發表的一篇論文 中詳細介紹)是檢視早期宇宙中一些最明亮的天體:類星體。

類星體是早期宇宙中存在的活躍星系(名稱是“準恆星射電源”的縮寫)。而且它們很明亮。非常明亮。謝爾格和 BOSS 團隊使用類星體作為我們和它們之間氫氣的“背光”。

他們繪製了到每個類星體的視線地圖。“這就像穿過宇宙的烤串,”他說。他們從烤串中重建他們認為是宇宙的真實 3D 地圖。“對此最可愛的描述之一是,就像你在豪豬的背上畫了一張地圖。”

在這些光串中,天文學家可以看到標記,或吸收線,這些標記來自光線從類星體到達途中穿過中間氫氣雲時。通常,光線會穿過數百個氫氣雲。標記揭示了沿著到達每個類星體的視線的氣體分佈,然後天文學家檢視所有線,並僅使用烤串來計算出整個地圖。

要做到這一點,你需要足夠的類星體。BOSS 團隊觀測了 48,129 個類星體來構建它們的 3D 地圖。他們研究的類星體可以追溯到 115 億年前,進入物質主導的時代。換句話說,在暗能量接管之前。

“這是宇宙減速時的第一次測量,”謝爾格說。“這非常棒。”

在這張地圖中,他們尋找一種稱為重子聲波振盪的結構,這些結構本質上是凍結在早期宇宙中的聲波。天文學家知道這些聲波形成時有多大。透過在後來的宇宙歷史中測量它們,他們可以知道宇宙在平均時間內膨脹了多少。由於膨脹受暗能量控制,因此測量重子聲波振盪提供了一種測試暗能量是否如我們所想的那樣執行的方法。

BOSS 團隊看到了在暗能量開始之前膨脹減速的模式,以及他們預期的後來加速。

但這項研究僅繪製了 BOSS 最終將繪製的體積的三分之一。在未來幾年內,BOSS 將繪製 150 萬個星系和 16 萬個類星體。

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更新於 2012 年 12 月 3 日:彼得·埃德蒙茲指出,一些工作實際上已經測量了宇宙減速何時轉化為加速的時間,使用超新星而不是 BAO。在他的部落格上閱讀更多內容

Kelly Oakes has a master's degree in science communication and a degree in physics, both from Imperial College London. She started this blog so she could share some amazing stories about space, astrophysics, particle physics and more with other people, and partly so she could explore those stories herself.

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