重子声学振荡是什么？它为何能称为宇宙的“标准尺”？

重子声学振荡是宇宙中可见的重子物质的法则周期性密度涨落。正如超新星可以作为尺度烛光，重子声学振荡的物质当作团性也可以作为测量宇宙学距离的尺度尺。

重子声学振荡名字听起来高端，其实它就是一个领会宇宙膨胀汗青的科学测量方式！今天就领会下它为何物？

想象一下您正在不雅察宇宙，在宇宙中您会看到一些光点，包罗行星、恒星、星系、星系团等等，若是您想用本身所看到的工具来测量宇宙在曩昔到此刻的时时刻刻是若何膨胀的。

您会怎么做？

我们若何测量和发现宇宙的膨胀汗青

宇宙中的每一个物体都有一些固有的属性，也就是物体自己的物理特征。这包罗：

它的质量，

它的巨细，

和它的光度（或内禀亮度）。

若是我们的不雅察仪器足够好，我们就可以直接测量一个物体的表不雅巨细或表不雅亮度，也就是从我们地球的位置上看，方针物体它看起来有多大或有多亮。

而宇宙中的某些方针对象有其素质上固有的属性。例如我们不雅察的是一个恒星或星系，那么它的素质属性也可以很轻易地测量出来，好比经由过程其发射线的宽度，光度转变周期，或者它的光曲线的外形！这可以告诉我们所看到的物体的素质。

若是我们能做到以下三件事：

知道一个物体的固有性质，（内禀亮度）

测量物体不异的表不雅特征，（表不雅亮度）

测量距离或退行速度/红移，（多普勒效应）

我们就可以领会宇宙是若何在其汗青中碰撞的！天文学家已经把握了两种方式来测量宇宙的膨胀。

一种是操纵亮度作为尺度去测量：如我们知道某物素质上有多亮，然后再去测量它的表不雅亮度，我们还知道亮度在膨胀的宇宙中是若何随距离（和红移）转变的，就可以经由过程这种体例揣度宇宙的膨胀汗青。当我们利用亮度进行测量时，利用的物体就被称为尺度烛光，因为若是我们知道蜡烛的固有亮度，我们只需要测量它看起来有多亮，就可以立即知道它离我们有多远。这就是哈勃昔时利用造父变星和后来人们利用Ia型超新星的例子。

另一种方式是利用物体的巨细：若是我们知道一个物体素质上有多大，那么就可以测量它看起来有多大（它的角度巨细），并且我们还知道在膨胀的宇宙中巨细是若何跟着距离（和红移）转变的，就可以知道宇宙是若何演酿成此刻这个样子的。

利用这样的物理尺寸就被称为尺度尺，但独一被“尺度化”的物体是单个恒星的太小。而星系并没有一个尺度的巨细。

以上就是我们以前常用的两种方式。不外第一种大师更熟悉一些。

重子声学振荡若何揭示宇宙的膨胀汗青

当我们领会到宇宙是由什么组成的时辰，出格是当我们领会到暗物质的存在以及大爆炸之前的暴胀期间之后，一切都改变了。我们知道，宇宙起头时物质分布几乎是平均的，在所有标准上存在细小的波动，或者物质密度比平均密度略大（或略小）的区域。

跟着宇宙春秋的增加，引力（以光速活动）可以达到越来越远的处所，导致越来越大的标准缩短和坍塌。当宇宙还很年青的时辰，气体云并没有冷却到位（温度还很高），若是气体云坍塌得太厉害，那么辐射的压力就会把气体云再推出去。引力又会吸引一部门气体云在次坍缩，若是温度仍是很高，那么辐射压力又会被气体云再次推出去，因为气体云是重子物质，这种往返振荡就近似于声波，是以我们称其为重子声学振荡。

这就是为什么我们会在大爆炸的余辉中会看到一些摆动、波动的图案。

跟着时候的推移，宇宙的膨胀，第一个大的波动峰值就会转化为一个标准，在这个标准上，我们更有可能看到两个相距必然距离的星系。而今天这个距离半斤八两于5亿光年，这意味着若是我们在宇宙中选择一个星系，更有可能在5亿光年的距离上找到第二个星系，而不是在4亿光年或6亿光年。

这种距离标准（星系之间彼此联系关系的标准）被称为声学标准，因为是重子（好比质子）在这些密渡过高的区域内往返振荡。造当作这种距离相关的现象被称为重子声振荡（BAO），我们可以操纵这种红移来测量宇宙膨胀率随时候的转变。

就在20年前，重子声振荡并不是测量宇宙中任何事物的可行方式。可是跟着两度场星系红移测量（2dFGRS）和今朝的斯隆数字天空测量（SDSS）等测量方式的呈现，我们已经测量了足够多的星系的位置和红移，并获得前所未有的宇宙大标准布局的细节。

SDSS-III发布的数据，这是一张星系地图。图片上的每一个点和像素代表了整个星系。

经由过程重子声波振荡，我们从中获得的不仅是暗能量占宇宙总能量的三分之二（与宇宙微波布景辐射和超新星数据一致）并且暗能量与宇宙常数一致，跟着时候的推移连结不变，达到了有史以来的最高精度！

十年前，我们知道宇宙由暗能量本家儿导，但w的不确定性，即暗能量状况方程参数（w=P/ρ）简直定性很是大。我们可以说w在-0.5到-3.0之间，这是一个很大的规模。今天因为重子的声学振荡，我们可以说w在-0.87和-1.15之间，这是一个不成思议的前进！将来的调查，好比LSST将进行的调查，将把这种不确定性降低到几个百分点：若是进展顺遂，我们应该可以说w在-0.98到-1.03之间。