BOSS：測量一切的標尺

07-22

原文標題：BOSS: A Ruler to Measure Them All

作者：Monica Young 原文來自：SkyandTelescope.com Posted: 2015. 1. 8

在釋放大量天文數據的同時，科學家公布了迄今測量宇宙學距離最為精確的「標準尺」。

在美國天文學會冬季會議上，作為天文史上最豐饒的數據集的一部分，天文學家釋放了超過100 TB的數據。斯隆數字巡天計劃（SDSS）自2000年以來一直在巡視著天空，現在它的資料庫含有4.7億個恆星和星系的數據，這一數字挑戰著理解力。

其中的很大一部分數據是來自重子振蕩光譜巡天（BOSS）的。它是SDSS旗下的一個巡天計劃，在過去的7年時間裡覆蓋了全天的25%。BOSS的目標是探測原初聲波（也就是重子聲波振蕩）留下的印跡，這樣的原初聲波將宇宙的嬰兒期與成年期直接聯繫了起來。（這與去年成為新聞的原初偏振印跡完全是兩回事。）

BOSS測量結果為宇宙測距的藝術概念圖。重子聲波振蕩是指星系和其他物質聚集成球體的趨勢，它起源於從早期宇宙等離子體中穿過的密度波。上圖中成團性效應被大大誇張了。球體的半徑（用白線表示）是一種「標準尺」的刻度，天文學家可以用其確定宇宙的大尺度結構及其演化，精度高於1%。（圖片提供：Zosia Rostomian / Lawrence Berkeley National Laboratory）

BOSS測量了140萬個相對較近的星系以及30萬個相對較遠的類星體的光譜進而揭示了這些天體的距離，將2D天圖擴展成了3D。這是一項里程碑式的努力，最好要認識到這一點：對於SDSS觀測到的500萬條光譜，包括BOSS計劃觀測的170萬條光譜中的每一條來說，都需要工人手工將光纖插入金屬板中，板上按照天空中天體的方位鑽了孔。兩個工人可以在40分鐘內安置1000根光纖，因此安置所有的光纖花費了417個工作日。

對於BOSS來說，這項大規模的工作給出了宇宙的三維地圖，覆蓋了體積龐大的空間。而為了窺探宇宙的過去，這些是必需的。

宇宙：從嬰兒到成年

新生的宇宙與如今所見的相去甚遠。光子和電離物質在熾熱的團塊狀原初湯中混在了一起。光子被束縛在了團塊中，在與其他緻密等離子體物質遭遇之前，它們不會前行太遠，而且它們會從團塊內部施加壓力。在宇宙中泛起漣漪的壓力波動就類似於地球大氣中的聲波。

聲波四處衝撞了很長時間（大約38萬年）。不過當原初湯溫度降到足夠低，足以讓電子和質子結合之後，光子就可以逃逸出去了。此時不再存在讓物質彼此分離的壓力了，引力佔據了一切。原初漣漪的遺迹在坍縮的氣體和暗物質團塊中留下了印跡，而這些團塊最終杏花村了星系和星系團。

當你觀測天空的一角之時，殘留的漣漪自身並不很明顯。只有在海量統計樣本中，它們才會露面，其表現是星系略微傾向於保持5億光年而非4億或6億光年的間距。然而如此微小的統計效應將原初湯中的擾動與如今在宇宙中看到的星系網直接聯繫了起來。

來自匹茲堡（Pittsburgh）大學的天文學家邁克爾·伍德—瓦塞（Michael Wood-Vasey）舉起了BOSS計劃使用的一塊光纖板，整個計劃使用了2000塊這樣的板子。板上鑽出了1000個插孔，每個孔都要捕獲來自特定的一個星系、類星體或其他天體的光線，並將光線經由光纖傳輸給靈敏的光譜儀。光纖板上有標示說明哪個孔洞要插入1000束傳輸天體光線的光纖中的哪一束。（圖片提供：Monica Young / Sky & Telescope）

BOSS巡天掃描了體積龐大的空間，以觀察這一效應，雖然對數據的最終分析直到今年春天才會公布，不過現在人們已經處理了85%的數據。原初的聲波以極高的精度被探測到。用技術的語言來說，總的探測是10σ。來自哈佛大學的SDSS-III主任丹尼爾·艾森斯坦（Daniel Eisenstein）說，翻譯成通俗的話，這意味著「這些（波動）是否存在已經不是真正的問題了。」

BOSS觀測了相對較近的星系族群，將其分成了兩組（其光線分別運行了35億和57億年），還觀測了更遙遠的類星體（其發出的光線要花費110億年才能抵達地球），從而探測到了漣漪。這兩組數據將宇宙開始加速膨脹的年代夾在了中間。

通常天文學家需要使用紅移來計算這些天體的距離，要測量星系的譜線出於宇宙膨脹而移動的距離。不過這需要藉助宇宙膨脹速度的模型。

原初聲波提供了一種獨立於宇宙學模型的標尺。如果你知道了漣漪的尺度（這一信息可以從宇宙微波背景輻射起伏中找到），還測量出了它們在天空中的視尺度，你就可以測量出距離了。憑藉在AAS會議上公布的結果，距離測量的精度達到了1%。

或者你也可以拋開宇宙微波背景輻射，只計算不同距離的漣漪的相對尺寸，來了解標尺隨宇宙時間膨脹的程度。這兩種方法給出的測量結果都與主流宇宙學模型（包括自大爆炸以來其特性保持不變的神秘暗能量）吻合得很好（而且毫不意外），

不過天文學家還在繼續使用BOSS海量的數據集進行類星體物理、星系演化以及其他科學研究，也許BOSS最有趣的結果還沒有面世。

（全文完）