Барионные акустические колебания - Baryon acoustic oscillations

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к сделать понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Сентябрь 2011 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья требует внимания специалиста по физике. Пожалуйста, добавьте причина или разговаривать в этот шаблон, чтобы объяснить проблему со статьей. ВикиПроект Физика может помочь нанять эксперта. (Сентябрь 2011 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездоносная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение· Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок
Составные части· Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновая анизотропия Уилкинсона Зонд (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Гут Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволн фоновое излучение История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теория большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал

В космология, барионные акустические колебания (BAO) представляют собой колебания плотности видимого барионный материя (нормальная материя) Вселенной, вызванная акустический волны плотности в первичной плазме ранней Вселенной. Таким же образом сверхновые обеспечить "стандартная свеча «для астрономических наблюдений,^[1] Кластеризация материи BAO обеспечивает "стандартная линейка "для шкалы длин в космологии.^[2] Длина этой стандартной линейки определяется максимальным расстоянием, на которое акустические волны могут пройти в первичной плазме, прежде чем плазма остынет до точки, где она станет нейтральными атомами (эпоха рекомбинации ), что остановило распространение волн плотности плазмы, «заморозив» их на месте. Длина этой стандартной линейки (≈490 миллионов световых лет в современной Вселенной^[3]) можно измерить, посмотрев на крупномасштабная структура материи с использованием астрономические исследования.^[3] Измерения BAO помогают космологам лучше понять природу темная энергия (что вызывает ускоряющееся расширение Вселенной ) путем ограничения космологические параметры.^[2]

Ранняя вселенная

Ранняя Вселенная состояла из горячей, плотной плазма из электроны и барионы (протоны и нейтроны). Фотоны (легкие частицы), путешествующие по этой Вселенной, были по существу пойманы в ловушку, не имея возможности пройти какое-либо значительное расстояние до взаимодействия с плазмой через Томсоновское рассеяние.^[4] Когда Вселенная расширялась, плазма остывала до температуры ниже 3000 К - достаточно низкой энергии, чтобы электроны и протоны в плазме могли объединяться, образуя нейтральный атомы водорода. Этот рекомбинация произошло, когда Вселенной было около 379000 лет, или красное смещение из z = 1089.^[4] Фотоны в гораздо меньшей степени взаимодействуют с нейтральным веществом, и поэтому при рекомбинации Вселенная стала прозрачной для фотонов, что позволило им разъединять от вопроса и свободном потоке через вселенную.^[4] Технически говоря, длина свободного пробега фотонов стало порядка размера Вселенной. В космический микроволновый фон (CMB) излучение - это свет, который был испущен после рекомбинации, который только сейчас достигает наших телескопов. Поэтому, глядя, например, на СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson (WMAP), можно просто оглянуться назад во времени, чтобы увидеть изображение Вселенной, которой было всего 379000 лет.^[4]

Рисунок 1: Температурная анизотропия CMB на основе девятилетнего WMAP данные (2012).^[5][6][7]

WMAP указывает (рис. 1) на гладкую однородную Вселенную с плотностью анизотропия 10 частей на миллион.^[4] Однако в нынешней Вселенной есть большие структуры и флуктуации плотности. Галактики, например, в миллион раз плотнее, чем средняя плотность Вселенной.^[2] В настоящее время считается, что Вселенная была построена снизу вверх, что означает, что небольшие анизотропии ранней Вселенной действовали как гравитационные семена для структуры, наблюдаемой сегодня. Сверхплотные области притягивают больше вещества, а разреженные - меньше, и поэтому эти небольшие анизотропии, наблюдаемые в реликтовом излучении, стали сегодня крупномасштабными структурами во Вселенной.

Космический звук

Представьте себе сверхплотную область изначальная плазма. Пока эта область сверхплотности гравитационно притягивает к себе материю, тепло взаимодействия фотона с веществом создает большое количество внешних давление. Эти противодействующие силы тяжести и давления создали колебания, аналогично звуковые волны создается в воздухе разницей давления.^[3]

Эта сверхплотная область содержит темная материя, барионы и фотоны. Давление приводит к сферическим звуковым волнам как барионов, так и фотонов, движущихся со скоростью чуть больше половины скорость света^[8][9] наружу из сверхплотности. Темная материя взаимодействует только гравитационно и поэтому остается в центре звуковой волны, источнике сверхплотности. Перед разъединение, фотоны и барионы вместе двинулись наружу. После разъединения фотоны больше не взаимодействовали с барионной материей и рассеялись. Это уменьшило 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 это та оболочка, которая проходит одинаковое расстояние для всех избыточных плотностей до разъединения. Этот радиус часто называют звуковым горизонтом.^[3] Без давления фотобарионов, выталкивающего систему наружу, единственная оставшаяся сила на барионы была гравитационной. Следовательно, барионы и темная материя (оставленные в центре возмущения) сформировали конфигурацию, которая включала в себя избыточные плотности материи как в исходном месте анизотропии, так и в оболочке на звуковом горизонте для этой анизотропии.^[3]

Такие анизотропии в конечном итоге превратились в рябь в плотности вещества, которая галактики. Следовательно, можно было бы ожидать увидеть большее количество пар галактик, разделенных шкалой расстояний до горизонта звука, чем другими шкалами длин.^[3] Эта конкретная конфигурация материи возникала при каждой анизотропии в ранней Вселенной, и поэтому Вселенная не состоит из одной звуковой ряби,^[10] но много перекрывающейся ряби.^[11] В качестве аналогии представьте, что вы бросаете много гальки в пруд и наблюдаете за волнами в воде.^[2] Невозможно наблюдать это предпочтительное разделение галактик на шкале звукового горизонта на глаз, но можно измерить этот артефакт. статистически глядя на разделение большого количества галактик.

Стандартная линейка

Физика распространения барионных волн в ранняя вселенная довольно просто; в результате космологи могут предсказать размер звукового горизонта во время рекомбинация. В дополнение CMB обеспечивает измерение этой шкалы с высокой точностью.^[3] Однако за время между рекомбинацией и сегодняшним днем ​​Вселенная была расширение. Это расширение хорошо поддерживается наблюдения и является одной из основ Модель Большого Взрыва. В конце 1990-х годов наблюдения за сверхновые^[1] определили, что не только Вселенная расширяется, но и расширяется с возрастающей скоростью. Лучшее понимание ускорение вселенной, или же темная энергия, стал одним из важнейших вопросов современной космологии. Чтобы понять природу темной энергии, важно иметь множество способов измерения ускорения. BAO может добавить к совокупности знаний об этом ускорении, сравнивая сегодняшние наблюдения звукового горизонта (с использованием кластеризации галактик) с наблюдениями звукового горизонта во время рекомбинации (с использованием CMB).^[3] Таким образом, BAO предоставляет измерительную линейку, позволяющую лучше понять природу ускорения, полностью независимую от техника сверхновой.

Сигнал BAO в обзоре Sloan Digital Sky Survey

В Sloan Digital Sky Survey (SDSS) - 2,5-метровый широкоугольный оптический телескоп в Обсерватория Апач-Пойнт в Нью-Мексико. Цель этого пятилетнего исследования заключалась в том, чтобы изображений и спектры миллионов небесных объектов. Результатом компиляции данных SDSS является трехмерная карта объектов в ближайшей вселенной: каталог SDSS. Каталог SDSS предоставляет картину распределения вещества в достаточно большой части Вселенной, чтобы можно было искать сигнал BAO, отмечая, имеется ли статистически значимое переизбыток галактик, разделенных предсказанным звуковым расстоянием до горизонта.

Команда SDSS изучила выборку из 46 748 светящихся красных галактик (LRG) на площади более 3816 квадратных градусов неба (примерно пять миллиардов световых лет в диаметре) и до красное смещение из z = 0.47.^[3] Они проанализировали кластеризацию этих галактик, вычислив двухточечная корреляционная функция по данным.^[12] Корреляционная функция (ξ) является функцией сопутствующий расстояние между галактиками (s) и описывает вероятность того, что одна галактика будет найдена на заданном расстоянии от другой.^[13] Можно было бы ожидать высокой корреляции галактик на малых расстояниях разделения (из-за неуклюжего характера образования галактик) и низкой корреляции на больших расстояниях разделения. Сигнал BAO будет проявляться как выпуклость в корреляционной функции на сопутствующем расстоянии, равном звуковому горизонту. Этот сигнал был обнаружен командой SDSS в 2005 году.^[3][14] SDSS подтвердил результаты WMAP, что звуковой горизонт составляет ~150 Мпк в сегодняшней вселенной.^[2][3]

Обнаружение в других обзорах галактик

Сотрудничество 2dFGRS и SDSS сообщили об обнаружении сигнала BAO в спектре мощности примерно в то же время в 2005 году.^[15] Обе команды признаны и признаны сообществом за открытие, о чем свидетельствует исследование 2014 г. Приз Шоу в астрономии^[16] который был присужден обеим группам. С тех пор в обзоре галактик 6dF (6dFGS) в 2011 г. сообщалось о дальнейших обнаружениях.^[17] WiggleZ в 2011^[18] и БОСС в 2012.^[19]

Формализм темной энергии

Ограничения BAO на параметры темной энергии

БАО в радиальном и поперечном направлениях обеспечивает измерения Параметр Хаббла и расстояние углового диаметра соответственно. Расстояние углового диаметра и параметр Хаббла могут включать в себя различные функции, объясняющие поведение темной энергии.^[20][21] Эти функции имеют два параметра ш₀ и ш₁ и их можно ограничить техника хи-квадрат.^[22]

Общая теория относительности и темная энергия

В общая теория относительности, расширение Вселенной параметризуется масштаб ${displaystyle a (t)}$ что связано с красное смещение:^[4]

${Displaystyle а (т) экв (1 + г (т)) ^ {- 1}!}$

В Параметр Хаббла, ${displaystyle H (z)}$, по коэффициенту масштабирования составляет:

${displaystyle H (t) Equiv {frac {dot {a}} {a}}!}$

куда ${displaystyle {точка {a}}}$ - производная от масштабного коэффициента по времени. В Уравнения Фридмана выразить расширение Вселенной в терминах Ньютона гравитационная постоянная, ${displaystyle G_ {N}}$, значение манометрическое давление, ${displaystyle p}$, то Плотность Вселенной ${displaystyle ho!}$, то кривизна, ${displaystyle k}$, а космологическая постоянная, ${displaystyle Lambda!}$:^[4]

${displaystyle H ^ {2} = left ({frac {dot {a}} {a}} ight) ^ {2} = {frac {8pi G} {3}} ho - {frac {kc ^ {2}} {a ^ {2}}} + {frac {Lambda c ^ {2}} {3}}}$

${displaystyle {dot {H}} + H ^ {2} = {frac {ddot {a}} {a}} = - {frac {4pi G} {3}} left (ho + {frac {3p} {c ^ {2}}} ight) + {frac {Lambda c ^ {2}} {3}}}$

Наблюдательные свидетельства ускорения Вселенной подразумевают, что (в настоящее время) ${displaystyle {ddot {a}}> 0}$. Поэтому возможны следующие объяснения:^[23]

• Во Вселенной преобладает какое-то поле или частица с отрицательным давлением, так что уравнение состояния:

${displaystyle w = {frac {p} {ho}} <- 1/3!}$

• Есть ненулевая космологическая постоянная, ${displaystyle Lambda!}$.
• Уравнения Фридмана неверны, поскольку они содержат чрезмерные упрощения, чтобы упростить вычисление общих релятивистских уравнений поля.

Чтобы различать эти сценарии, точные измерения параметра Хаббла как функции красное смещение необходимы.

Измеренные наблюдаемые темной энергии

В параметр плотности, ${displaystyle Omega!}$, из различных компонентов, ${displaystyle x}$, Вселенной можно выразить как отношения плотности ${displaystyle x}$ к критическая плотность, ${displaystyle ho _ {c}!}$:^[23]

${displaystyle ho _ {c} = {frac {3H ^ {2}} {8pi G}}}$

${displaystyle Omega _ {x} Equiv {frac {ho _ {x}} {ho _ {c}}} = {frac {8pi Gho _ {x}} {3H ^ {2}}}}$

В Уравнение фридмана можно переписать в терминах параметра плотности. Для текущей преобладающей модели Вселенной ΛCDM, это уравнение выглядит следующим образом:^[23]

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

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

В Сигнал BAO это стандартная линейка таким образом, чтобы длину звукового горизонта можно было измерить как функцию космическое время.^[3] Это измеряет два космологических расстояния: параметр Хаббла, ${displaystyle H (z)}$, а расстояние по угловому диаметру, ${displaystyle d_ {A} (z)}$, как функция красное смещение ${displaystyle (z)}$.^[24] Измеряя подведенный угол, ${displaystyle Delta heta}$, линейки длины ${displaystyle Delta chi}$, эти параметры определяются следующим образом:^[24]

${displaystyle Delta heta = {frac {Delta chi} {d_ {A} (z)}}!}$

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

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

${displaystyle cDelta z = H (z) Delta chi!}$

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

Смотрите также

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

Рекомендации

внешняя ссылка

• Веб-страница Мартина Уайта о барионных акустических колебаниях и темной энергии
• [1]
• Обзор барионных акустических колебаний
• Пресс-релиз SDSS BAO