「加肥加大」號的黑洞，展現了宇宙膨脹的秘密

類星體藝術圖，來自維基，https://en.wikipedia.org/wiki/Quasar

最新的天文觀測表明，宇宙正在不可思議地加速膨脹。宇宙加速膨脹現象自1998年被發現以來（該發現獲2011年諾貝爾物理學獎），探索這一奇異現象的根源一直是全世界物理學家和天文學家最重大的研究課題之一。

根據最新研究，目前的宇宙中只存在4%左右的普通物質以及23%的暗物質，而其餘73%的能量組分則是由神秘的暗能量提供的。暗能量的本質雖仍未被揭示，但天文觀測證據表明，暗能量充滿宇宙，且除引力作用之外，暗能量與其他物質不存在任何已知的相互作用。暗能量密度極低（約10-27 kg/m3），但卻是宇宙加速膨脹背後的推手！（這裡指的是廣義的暗能量，既包括具有負壓的能量組分，也包含宇宙學尺度上的修正引力效應。）

暗能量就像深邃宇宙中的幽靈（幾種典型暗能量模型的名字分別為精質、幽靈、精靈等），看不見摸不著，但它卻影響、甚至決定著宇宙的演化和命運。它可以改變時空的幾何屬性，也主導著宇宙中的星系分布與演化。

大型星系巡天是研究暗能量的利器，它能通過對大樣本星系進行大規模的「人口普查」，然後分析星系的三維分布特徵，重建宇宙的膨脹歷史以及宇宙大尺度結構的增長率，進而探測暗能量的性質。

目前世界上最大的星系巡天是斯隆四期(SDSS-IV)的「拓展重子聲波振蕩巡天」(eBOSS; 2014-2020)。該項目依託一架位於美國新墨西哥州的口徑2.5米光學望遠鏡，觀測距地球幾十億到幾百億光年外多種類型的星體樣本。通過分析這些樣本的三維分布，可以提取兩大與暗能量性質密切相關的核心信息：重子聲波振蕩(BAO)和紅移畸變(RSD)信號。

位於美國新墨西哥州的 SDSS 2.5米望遠鏡

重子聲波振蕩(BAO)是測量宇宙幾何的量天尺，可以通過測量星系的成團性獲取宇宙的膨脹歷史。它是由於早期宇宙中光子與重子物質相互作用形成的一種獨特的天體三維成團模式。紅移畸變(RSD)則是另一種特殊的天體三維成團模式，可以測量宇宙中物質密度擾動增長速率。它是由於天體在局部引力作用下運動而導致的一種表觀各向異性。在暗能量的研究中，BAO 與 RSD 相輔相成。根據這些 BAO 與 RSD 數據，我們就可以通過宇宙的「成長」歷史，了解暗能量的性質。

eBOSS 巡天國際合作組於2017年首次利用遙遠的類星體，也就是超大質量的黑洞，成功測量到了重子聲波振蕩信號。近期，eBOSS 國際合作組宣布，首次利用類星體成功測量到了宇宙的層析紅移畸變信號（Zhao et al., 2018; arXiv:https://arxiv.org/abs/1801.03043）。科學家們利用全新方法，在多個宇宙演化的關鍵時期同時測量了 BAO 和 RSD 信號。

這其實是給宇宙做了一次 CT 掃描。這次成功的嘗試獲取了宇宙演化歷史的珍貴信息。基於此次測量，eBOSS 合作組公布，暗能量存在的置信度達到7.4個標準差水平！這就是說目前觀測到的暗能量信號是其統計誤差的7.4倍，而根據物理學的標準，通常5個標準差水平的信號就可以認為是「發現」了新的物理現象。因此，這項成果是暗能量存在的強有力觀測證據。這也是目前基於星系巡天得到的最高精度的暗能量觀測限制。

未來5-10年，eBOSS 合作組和未來的大型星系巡天項目，如 DESI、PFS 等將在宇宙的更深處，在更高的精度上對宇宙進行全方位 CT 掃描，精確測量暗能量狀態方程等關鍵宇宙學參數，揭示宇宙加速膨脹的奧秘。

作者：趙公博

來源：中國科學院國家天文台

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