Барионные акустические колебания

В космологии барионные акустические колебания ( БАО ) — это колебания плотности видимой барионной материи (нормальной материи) Вселенной, вызванные волнами акустической плотности в первичной плазме ранней Вселенной. Точно так же, как сверхновые служат « стандартной свечой » для астрономических наблюдений, Кластеризация материи БАО обеспечивает « стандартную линейку » шкалы длины в космологии. Длина этой стандартной линейки определяется максимальным расстоянием, которое акустические волны могли пройти в первичной плазме до того, как плазма остыла до точки, где она стала нейтральными атомами ( эпоха рекомбинации ), что остановило расширение волн плотности плазмы, «замораживая» их на месте. Длина этой стандартной линейки (≈490 миллионов световых лет в современной Вселенной) ) можно измерить, рассматривая крупномасштабную структуру материи с помощью астрономических исследований . Измерения BAO помогают космологам лучше понять природу темной энергии (которая вызывает ускоряющееся расширение Вселенной ) путем ограничения космологических параметров .

Ранняя вселенная

Ранняя Вселенная состояла из горячей и плотной плазмы электронов . и барионов (включая протоны и нейтроны) Фотоны (легкие частицы), путешествующие в этой Вселенной, по сути, были захвачены и не могли пройти значительное расстояние, прежде чем вступить во взаимодействие с плазмой посредством томсоновского рассеяния . Среднее расстояние, которое фотон может пройти до взаимодействия с плазмой, известно как длина свободного пробега фотона. По мере расширения Вселенной плазма охлаждалась до температуры ниже 3000 К — достаточно низкой энергии, чтобы электроны и протоны в плазме могли объединяться с образованием нейтральных атомов водорода . Эта рекомбинация произошла, когда Вселенной было около 379 000 лет, или при красном смещении z = 1089 . В этом возрасте размер пузырей БАО составлял 450 000 световых лет (0,14 Мпк) в радиусе (490 миллионов световых лет сегодня, разделенных на z = 1089). Фотоны в гораздо меньшей степени взаимодействуют с нейтральной материей, и поэтому при рекомбинации Вселенная стала прозрачной для фотонов, что позволило им отделиться от материи и свободно течь через Вселенную. Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — это свет, который был рассеян незадолго до этого и испущен в результате рекомбинации, который теперь виден нашими телескопами как радиоволны по всему небу, поскольку он имеет красное смещение. Поэтому, просматривая, например, данные микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP), мы, по сути, оглядываемся назад во времени, чтобы увидеть изображение Вселенной, когда ей было всего 379 000 лет.

Рисунок 1: Температурная анизотропия реликтового излучения на основе данных WMAP за девять лет (2012 г.).

WMAP указывает (рис. 1) на гладкую, однородную Вселенную с анизотропией плотности 10 частей на миллион. Однако в современной Вселенной существуют крупные структуры и флуктуации плотности. Например, галактики в миллион раз плотнее средней плотности Вселенной. В настоящее время считается, что Вселенная была построена по принципу «снизу вверх», а это означает, что небольшие анизотропии ранней Вселенной послужили гравитационными зародышами для структуры, наблюдаемой сегодня. Области с повышенной плотностью притягивают больше материи, тогда как области с пониженной плотностью притягивают меньше, и поэтому эти небольшие анизотропии, наблюдаемые в реликтовом излучении, стали сегодня крупномасштабными структурами во Вселенной.

Космический звук

Представьте себе сверхплотную область первичной плазмы . Хотя эта область сверхплотности гравитационно притягивает к себе материю, тепло взаимодействия фотонов с материей создает большое внешнее давление . Эти противодействующие силы гравитации и давления создавали колебания , сравнимые со звуковыми волнами, создаваемыми в воздухе разницей давления.

Эта сверхплотная область содержит темную материю , барионы и фотоны . Давление приводит к образованию сферических звуковых волн как барионов, так и фотонов, движущихся со скоростью чуть более половины скорости света. наружу из-за чрезмерной плотности. Темная материя взаимодействует только гравитационно, поэтому она остается в центре звуковой волны, источнике сверхплотности. Перед разделением фотоны и барионы двигались наружу вместе. После развязки фотоны больше не взаимодействовали с барионной материей и диффундировали. Это ослабило давление на систему, оставив после себя оболочки из барионной материи. Из всех этих оболочек, представляющих разные длины волн звуковых волн, резонансная оболочка соответствует первой, поскольку именно она проходит одинаковое расстояние для всех сверхплотностей до разделения. Этот радиус часто называют звуковым горизонтом.

Без фотобарионного давления, выталкивающего систему наружу, единственной оставшейся силой, действующей на барионы, была гравитация. Таким образом, барионы и темная материя (оставшаяся в центре возмущения) образовали конфигурацию, включающую сверхплотности материи как в исходном месте анизотропии, так и в оболочке на звуковом горизонте этой анизотропии. Такая анизотропия в конечном итоге стала пульсацией плотности материи, которая сформировала галактики .

Поэтому можно было бы ожидать увидеть большее количество пар галактик, разделенных шкалой расстояний звукового горизонта, чем другими шкалами длин. Эта конкретная конфигурация материи возникала при каждой анизотропии в ранней Вселенной, и поэтому Вселенная не состоит из одной звуковой ряби. но много перекрывающихся волн. В качестве аналогии представьте, что вы бросаете много камешков в пруд и наблюдаете за возникающими волнами в воде. Невозможно наблюдать это предпочтительное разделение галактик на шкале звукового горизонта на глаз, но можно измерить этот артефакт статистически , наблюдая за разделением большого количества галактик.

Стандартная линейка

Физика распространения барионных волн в ранней Вселенной довольно проста; в результате космологи могут предсказать размер звукового горизонта во время рекомбинации . Кроме того, CMB обеспечивает измерение этого масштаба с высокой точностью. Однако за время между рекомбинацией и настоящим моментом Вселенная расширялась . Это расширение хорошо подтверждается наблюдениями и является одной из основ модели Большого взрыва . В конце 1990-х годов наблюдения сверхновых определили, что Вселенная не только расширяется, но и расширяется с возрастающей скоростью. Лучшее понимание ускорения Вселенной , или темной энергии , стало сегодня одним из самых важных вопросов космологии. Чтобы понять природу темной энергии, важно иметь различные способы измерения ускорения. БАО может пополнить объем знаний об этом ускорении, сравнив наблюдения звукового горизонта сегодня (с использованием кластеризации галактик) с наблюдениями звукового горизонта во время рекомбинации (с использованием реликтового излучения). Таким образом, БАО представляет собой измерительную линейку, с помощью которой можно лучше понять природу ускорения, совершенно независимую от техники сверхновых .

Сигнал BAO в Слоанском цифровом обзоре неба

Слоановский цифровой обзор неба (SDSS) — это крупномасштабное мультиспектральное исследование красного смещения с использованием спектроскопических изображений с использованием специального 2,5-метрового широкоугольного оптического телескопа SDSS в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико . Целью этого пятилетнего исследования было получение изображений и спектров миллионов небесных объектов. Результатом составления данных SDSS является трехмерная карта объектов ближайшей вселенной: каталог SDSS. Каталог SDSS дает картину распределения материи в достаточно большой части Вселенной, поэтому можно искать сигнал BAO, отмечая, существует ли статистически значимый переизбыток галактик, разделенных предсказанным расстоянием до звукового горизонта.

Команда SDSS изучила выборку из 46 748 светящихся красных галактик (LRG) на площади более 3816 квадратных градусов неба (приблизительно пять миллиардов световых лет в диаметре) и с красным смещением z = 0,47 . Они проанализировали кластеризацию этих галактик, рассчитав двухточечную корреляционную функцию . на основе данных Корреляционная функция (ξ) является функцией расстояния разделения сопутствующих галактик ( s ) и описывает вероятность того, что одна галактика будет найдена на заданном расстоянии от другой. Можно было бы ожидать высокой корреляции галактик на малых расстояниях разделения (из-за комковатого характера формирования галактик) и низкой корреляции на больших расстояниях разделения. Сигнал БАО будет проявляться в виде скачка корреляционной функции на расстоянии, равном звуковому горизонту. Этот сигнал был обнаружен командой SDSS в 2005 году. SDSS подтвердил результаты WMAP о том, что звуковой горизонт составляет ~ 150 Мпк . в современной Вселенной

В 2023 году астрономы будут использовать каталог SDSS, а также космический поток-4. каталог утверждал, что нашел свидетельства существования отдельного пузыря БАО с $155\ h_{75}^{-1}Mpc$ радиус, содержащий некоторые из крупнейших известных структур - сверхскопление Ботеса, Великую стену Слоана , Великую стену CfA2 и Великую стену Геркулеса-Северной Короны - которые они назвали Хо'олейлана.

Обнаружение в других обзорах галактик

Коллаборация 2dFGRS и SDSS сообщили об обнаружении сигнала BAO в спектре мощности примерно в одно и то же время в 2005 году. Обе команды получили признание и признание сообщества за открытие, о чем свидетельствует премия Шоу в области астрономии 2014 года. который был присужден обеим группам. С тех пор в 2011 году в рамках Обзора галактик 6dF (6dFGS) сообщалось о новых открытиях. WiggleZ в 2011 году и БОСС в 2012 году.

Формализм темной энергии

Ограничения BAO на параметры темной энергии

БАО в радиальном и поперечном направлениях обеспечивает измерения параметра Хаббла и расстояния углового диаметра соответственно. Расстояние углового диаметра и параметр Хаббла могут включать в себя различные функции, объясняющие поведение темной энергии. Эти функции имеют два параметра w ₀ и w ₁ , и их можно ограничить с помощью метода хи-квадрат .

Общая теория относительности и темная энергия

В общей теории относительности расширение Вселенной параметризуется масштабным коэффициентом. $a(t)$ что связано с красным смещением :

$a(t)\equiv (1+z(t))^{-1}\!$

Параметр Хаббла , $H(z)$, с точки зрения масштабного коэффициента:

$H(t)\equiv {\frac {\dot {a}}{a}}\!$

где ${\dot {a}}$ — производная по времени масштабного коэффициента. Уравнения Фридмана выражают расширение Вселенной через гравитационную постоянную Ньютона : $G$, среднее манометрическое давление , $p$, плотность Вселенной $\rho \!$, кривизна , $k$и космологическая постоянная , $\Lambda \!$:

$H^{2}=\left({\frac {\dot {a}}{a}}\right)^{2}={\frac {8\pi G}{3}}\rho -{\frac {kc^{2}}{a^{2}}}+{\frac {\Lambda c^{2}}{3}}$

${\dot {H}}+H^{2}={\frac {\ddot {a}}{a}}=-{\frac {4\pi G}{3}}\left(\rho +{\frac {3p}{c^{2}}}\right)+{\frac {\Lambda c^{2}}{3}}$

Наблюдательные данные об ускорении Вселенной подразумевают, что (в настоящее время) ${\ddot {a}}>0$. Поэтому возможны следующие объяснения:

• Во Вселенной доминирует некоторое поле или частица, имеющая отрицательное давление, так что уравнение состояния:

$w={\frac {p}{\rho }}<-1/3\!$

• Существует ненулевая космологическая постоянная, $\Lambda \!$.
• Уравнения Фридмана неверны, поскольку они содержат чрезмерные упрощения, призванные облегчить вычисление общих уравнений релятивистского поля.

Чтобы различить эти сценарии, точные измерения параметра Хаббла как функции красного смещения необходимы .

Измеренные наблюдаемые темной энергии

Параметр плотности , $\Omega \!$из различных компонентов, $x$Вселенной можно выразить как отношение плотности $x$ до критической плотности , $\rho _{c}\!$:

$\rho _{c}={\frac {3H^{2}}{8\pi G}}$

$\Omega _{x}\equiv {\frac {\rho _{x}}{\rho _{c}}}={\frac {8\pi G\rho _{x}}{3H^{2}}}$

Уравнение Фридмана можно переписать через параметр плотности. Для текущей преобладающей модели Вселенной ΛCDM это уравнение выглядит следующим образом:

$H^{2}(a)=\left({\frac {\dot {a}}{a}}\right)^{2}=H_{0}^{2}\left[\Omega _{m}a^{-3}+\Omega _{r}a^{-4}+\Omega _{k}a^{-2}+\Omega _{\Lambda }a^{-3(1+w)}\right]$

где m — материя, r — излучение, k — кривизна, Λ — темная энергия, а w — уравнение состояния . Измерения CMB с помощью WMAP накладывают жесткие ограничения на многие из этих параметров ; однако важно подтвердить и дополнительно ограничить их, используя независимый метод с другой систематикой.

Сигнал БАО представляет собой стандартную линейку , позволяющую измерить длину звукового горизонта как функцию космического времени . Это измеряет два космологических расстояния: параметр Хаббла, $H(z)$, и расстояние углового диаметра , $d_{A}(z)$, как функция красного смещения $(z)$. Измерив стягиваемый угол , $\Delta \theta$, линейки длины $\Delta \chi$, эти параметры определяются следующим образом:

$\Delta \theta ={\frac {\Delta \chi }{d_{A}(z)}}\!$

$d_{A}(z)\propto \int _{0}^{z}{\frac {dz'}{H(z')}}\!$

интервал красного смещения, $\Delta z$, можно измерить по данным и таким образом определить параметр Хаббла как функцию красного смещения:

$c\Delta z=H(z)\Delta \chi \!$

Таким образом, метод BAO помогает ограничить космологические параметры и обеспечить дальнейшее понимание природы темной энергии.

См. также

• Спектроскопическое исследование барионных колебаний
• БИНГО (телескоп)
• Евклид (космический корабль)

Внешние ссылки

• «Барионные акустические колебания и темная энергия» . Мартин Уайт . Архивировано из оригинала 8 июня 2023 г.
• «Обнаружение барионного акустического пика в крупномасштабной корреляционной функции светящихся красных галактик SDSS» . 5 марта 2012 г.
• Бассетт, Брюс А.; Хлозек, Рене (2009). «Барионные акустические колебания». arXiv : 0910.5224 [ astro-ph.CO ].
• «Космический критерий — астрономы Sloan Digital Sky Survey измеряют роль темной материи, темной энергии и гравитации в распределении галактик» . Слоановский цифровой обзор неба . 11 января 2005 г. Архивировано из оригинала 3 декабря 2013 г.