測量宇宙的標尺

蘇一橫

在天文學中，絕大多數的距離測量依賴于“標準燭光”。即，天文學家將挑選出來的、已知其自身亮度的天體作為標準，測量它們的視亮度，再根據其絕對亮度，就能推算出它們與地球的距離。造父變星、Ia型超新星（一種由雙星系統發生爆炸形成的超新星）都是最常見的“標準燭光”。

不過，“標準燭光”的問題在于，天體離我們越遠，它們的光就越有可能受到消光的影響。比如，一顆Ia型超新星看起來比較暗，可能是因為它離我們比較遠，但也有可能是因為很多塵埃遮擋了它的光。因此，在測量大尺度距離時，“標準燭光”的可靠性不太好。于是，天文學家們想到了另一種測量宇宙距離的方法：重子聲波振蕩。

遠古的聲波

在物理學中，基本粒子根據質量的大小可分為重子和輕子兩類。重子是指質子、中子這樣的大質量粒子，而輕子則指電子、中微子這樣的小質量的粒子。

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

最初，宇宙所有的物質和暗物質雖然在整體上是均勻分布的，但是局部地區的密度卻有細小的漲落。密度稍大的地方，引力較大；密度稍小的地方，引力則稍小。暗物質比重子等普通物質重6倍，它們在自動聚團的同時，其引力也在誘使等離子體向密度較高的區域聚集。

不過，光子的存在使情況變得復雜。光子對于暗物質完全沒有影響，但濃密的光子會與電子、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，但光子與質子、電子相互之間又有排斥力，這樣等離子體就會像被壓緊了的彈簧，向外反彈。彈到一定程度后，排斥力小于引力時，引力又會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 產生物質疏密的振蕩，由于這種振蕩伴隨著質子等重子的聚集和擴散，所以叫“重子振蕩”。這個原理與聲音在空氣中傳播引起疏密振蕩的原理相同，因此天文學家把重子振蕩產生的波叫做重子聲波。

在重子聲波向外傳播的同時，宇宙隨著膨脹，溫度逐漸降低。到了宇宙大爆炸后約38萬年的時候，溫度已經冷卻到3000K，電子和質子已經可以有效地復合成中性氫原子。此時，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，導致重子聲波的傳播立刻停止。這一場景非常像石子被丟進池塘，產生一個向外擴散的球狀波紋，然后池塘瞬間結冰，波紋也被保留了下來。

尋尋覓覓找“聲波”

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

因為重子聲波只能傳這么遠，在“聲速視界”之外，重子振蕩就沒有了?！奥曀僖暯纭钡拇笮∈怯僧敃r的聲速決定的，是個固定值。天文學家估算，早期宇宙的重子聲波的聲速能夠與光速比擬，重子聲波凍結時的“聲速視界”的物理尺寸大約有38萬光年。

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。從聲波凍結的時刻到今天，宇宙膨脹了1000多倍，所以，如今“聲速視界”的物理尺寸已經拉伸到約4億光年。

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

那么，天文學家如何在天文觀測中去找到凍結的重子聲波呢？答案就是宇宙大尺度結構。

由于重子聲波振蕩導致了一種特殊的物質分布不均勻性，所以重子聲波邊緣處（重子較多）和中心處（暗物質較多）的物質密度都要比周圍高，這些地方后來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是按照“聲速視界”的膨脹演化而來的。

現在，天文學家通過大尺度的星系巡天，就可以根據不同紅移處星系的分布，找到相應距離處那把漂浮的“尺子”的大小。

如何用“標尺”

科學家認為，找到那把漂浮的“尺子”，在此基礎上，天文學家就可以計算星系的距離、哈勃常數并研究暗能量。

重子聲波振蕩這把“尺子”很準確，也很有用，但有一點不好——這“尺子”實在太大了。早在1970年代，天文學家就意識到了重子聲波振蕩的存在，但直到2005年，天文學家通過當時最大的星系巡天——斯隆數字巡天項目，收集了等效邊長為50億光年的立方盒子里5萬個亮紅星系的樣本，通過分析，才首次得到了宇宙學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，又一次發現了顯著的重子聲波振蕩。而2018年，美國暗能量光譜儀項目也開始運行。暗能量光譜儀將會捕捉3000萬個星系和類星體的圖像以創建一個3D地圖，這幅地圖能夠幫助天文學家探索遠在100億光年以外的星系。屆時，重子聲波振蕩將得到更多的天文學應用。