重子聲學振蕩是什么？它為何能稱為宇宙的“標準尺”？

重子聲學振蕩是宇宙中可見的重子物質的法則周期性密度漲落。正如超新星可以作為尺度燭光，重子聲學振蕩的物質當作團性也可以作為測量宇宙學距離的尺度尺。

重子聲學振蕩名字聽起來高端，其實它就是一個領會宇宙膨脹汗青的科學測量方式！今天就領會下它為何物？

想象一下您正在不雅察宇宙，在宇宙中您會看到一些光點，包羅行星、恒星、星系、星系團等等，若是您想用本身所看到的工具來測量宇宙在曩昔到此刻的時時刻刻是若何膨脹的。

您會怎么做？

我們若何測量和發現宇宙的膨脹汗青

宇宙中的每一個物體都有一些固有的屬性，也就是物體自己的物理特征。這包羅：

它的質量，

它的巨細，

和它的光度（或內稟亮度）。

若是我們的不雅察儀器足夠好，我們就可以直接測量一個物體的表不雅巨細或表不雅亮度，也就是從我們地球的位置上看，方針物體它看起來有多大或有多亮。

而宇宙中的某些方針對象有其素質上固有的屬性。例如我們不雅察的是一個恒星或星系，那么它的素質屬性也可以很輕易地測量出來，好比經由過程其發射線的寬度，光度轉變周期，或者它的光曲線的外形！這可以告訴我們所看到的物體的素質。

若是我們能做到以下三件事：

知道一個物體的固有性質，（內稟亮度）

測量物體不異的表不雅特征，（表不雅亮度）

測量距離或退行速度/紅移，（多普勒效應）

我們就可以領會宇宙是若何在其汗青中碰撞的！天文學家已經把握了兩種方式來測量宇宙的膨脹。

一種是操縱亮度作為尺度去測量：如我們知道某物素質上有多亮，然后再去測量它的表不雅亮度，我們還知道亮度在膨脹的宇宙中是若何隨距離（和紅移）轉變的，就可以經由過程這種體例揣度宇宙的膨脹汗青。當我們利用亮度進行測量時，利用的物體就被稱為尺度燭光，因為若是我們知道蠟燭的固有亮度，我們只需要測量它看起來有多亮，就可以立即知道它離我們有多遠。這就是哈勃昔時利用造父變星和后來人們利用Ia型超新星的例子。

另一種方式是利用物體的巨細：若是我們知道一個物體素質上有多大，那么就可以測量它看起來有多大（它的角度巨細），并且我們還知道在膨脹的宇宙中巨細是若何跟著距離（和紅移）轉變的，就可以知道宇宙是若何演釀成此刻這個樣子的。

利用這樣的物理尺寸就被稱為尺度尺，但獨一被“尺度化”的物體是單個恒星的太小。而星系并沒有一個尺度的巨細。

以上就是我們以前常用的兩種方式。不外第一種大師更熟悉一些。

重子聲學振蕩若何揭示宇宙的膨脹汗青

當我們領會到宇宙是由什么組成的時辰，出格是當我們領會到暗物質的存在以及大爆炸之前的暴脹期間之后，一切都改變了。我們知道，宇宙起頭時物質分布幾乎是平均的，在所有標準上存在細小的波動，或者物質密度比平均密度略大（或略小）的區域。

跟著宇宙春秋的增加，引力（以光速活動）可以達到越來越遠的處所，導致越來越大的標準縮短和坍塌。當宇宙還很年青的時辰，氣體云并沒有冷卻到位（溫度還很高），若是氣體云坍塌得太厲害，那么輻射的壓力就會把氣體云再推出去。引力又會吸引一部門氣體云在次坍縮，若是溫度仍是很高，那么輻射壓力又會被氣體云再次推出去，因為氣體云是重子物質，這種往返振蕩就近似于聲波，是以我們稱其為重子聲學振蕩。

這就是為什么我們會在大爆炸的余輝中會看到一些擺動、波動的圖案。

跟著時候的推移，宇宙的膨脹，第一個大的波動峰值就會轉化為一個標準，在這個標準上，我們更有可能看到兩個相距必然距離的星系。而今天這個距離半斤八兩于5億光年，這意味著若是我們在宇宙中選擇一個星系，更有可能在5億光年的距離上找到第二個星系，而不是在4億光年或6億光年。

這種距離標準（星系之間彼此聯系關系的標準）被稱為聲學標準，因為是重子（好比質子）在這些密渡過高的區域內往返振蕩。造當作這種距離相關的現象被稱為重子聲振蕩（BAO），我們可以操縱這種紅移來測量宇宙膨脹率隨時候的轉變。

就在20年前，重子聲振蕩并不是測量宇宙中任何事物的可行方式。可是跟著兩度場星系紅移測量（2dFGRS）和今朝的斯隆數字天空測量（SDSS）等測量方式的呈現，我們已經測量了足夠多的星系的位置和紅移，并獲得前所未有的宇宙大標準布局的細節。

SDSS-III發布的數據，這是一張星系地圖。圖片上的每一個點和像素代表了整個星系。

經由過程重子聲波振蕩，我們從中獲得的不僅是暗能量占宇宙總能量的三分之二（與宇宙微波布景輻射和超新星數據一致）并且暗能量與宇宙常數一致，跟著時候的推移連結不變，達到了有史以來的最高精度！

十年前，我們知道宇宙由暗能量本家兒導，但w的不確定性，即暗能量狀況方程參數（w=P/ρ）簡直定性很是大。我們可以說w在-0.5到-3.0之間，這是一個很大的規模。今天因為重子的聲學振蕩，我們可以說w在-0.87和-1.15之間，這是一個不成思議的前進！將來的調查，好比LSST將進行的調查，將把這種不確定性降低到幾個百分點：若是進展順遂，我們應該可以說w在-0.98到-1.03之間。