在近年来各种各样的宇宙学研究中,宇宙学家们最重要的一个任务就是结合理论模型和各种实验观测的方法,构建出一个可观测宇宙物质分布的大尺度地图,这就需要宇宙学家在绘制宇宙地图时有一把可以参照的“尺子”来测量出宇宙中各个遥远天体之间的距离,以Ia型超新星为基准的“标准烛光”可以作为参照,而重子声波振荡产生的涟漪,在它产生了100多亿年之后,也可能成为宇宙学家手中的一把“标准尺规”,这对于宇宙学研究有着更为深远的作用。
在宇宙的大尺度下,因为早期的重子声波振荡造成宇宙中物质密度的不同,构成了宇宙中一圈圈的涟漪,如今,从极大的尺度来看,宇宙中的各个星系在涟漪的影响之下形成了极为微弱的圆圈,但是如何才能得到这种宇宙中圆圈的尺度?这就需要宇宙学家们利用各种模型进行估算。根据对于宇宙微波背景辐射(CMB)的测量数据,一些宇宙学家建立了宇宙早期等离子体的模型,从而估算出这个圆圈的尺度大约为4.5亿光年,这正是宇宙尺规的尺度,它记载着宇宙膨胀的历程。
2014年12月12日,帝国理工学院、巴塞罗那大学、哈佛大学和奥斯陆大学的几位宇宙学家在《物理评论快报》(PRL)上发表论文《来自低红移宇宙的标准尺规、标准烛光和标准钟表》(Standard Rulers,Candles,and Clocks from the Low-Redshift Universe)。这几位天文学家仅仅通过宇宙的低红移数据,对宇宙的特性做了一些基本的假设:假设宇宙的各向同质性,宇宙的膨胀历史是平稳的,并且在宇宙中存在标准烛光和标准尺规,在此基础上独立建立了一个新模型,对于重子声波振荡的大小和宇宙膨胀的速度进行测量。与以往通过数学模型进行估算不同,这次天文学家们得到的数据是建立在几个宇宙基本假设之上的实际测量数据,因此更为值得信任,而论文中讲述测量的结果显示,它与目前宇宙学模型所估算的尺度相吻合。
论文的作者们认为,在光子和重子(质子和电子)“去耦”(Decoupling)之前,取决于声波振荡在早期宇宙中的传播速度和宇宙膨胀的速度,通过实际测量宇宙中重子声波振荡的尺度,人们就可以独立于任何数学模型,建立起宇宙中的“标准钟表”,人们可以因此更详细地了解在宇宙诞生早期的细节,同时,结合低红移测量数据,就可以对目前的很多宇宙模型进行约束。
人类的宇宙学研究正在进入一个崭新的时期,宇宙学家们逐渐找到了越来越多的手段对宇宙的历史和现状进行探测,“标准尺规”正是其中之一。宇宙正向人类展现出它越来越光怪陆离的本质,而实际上,人类目前所探测的日月星辰,只占到宇宙中总能量的5%左右,还有更多的暗物质和暗能量,它们的本质仍然是宇宙学最深刻的谜。
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