作者:张同杰等 来源:PRL 发布时间:2014-8-16 19:56:19
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宇宙加速膨胀射电直接测量研究获进展

 

最近,北京师范大学天文系张同杰宇宙学团队基于宇宙学中Sandage-Loeb效应也称Redshift Drift原理, 提出了第一个宇宙加速膨胀的射电直接测量方法。 传统方法是通过距离观测并且基于宇宙学哥白尼原理和爱因斯坦方程来测量宇宙加速膨胀, 这是一种间接方法。新提出的方法是一种宇宙学模型无关的直接测量方法。该方法预言, 将来的射电巡天观测通过对宇宙中同一颗遥远的类星体射电辐射穿过位于星系际之间中性氢云时的21 cm吸收线连续观测10年以上,可以在5σ(confidence)置信水平上直接探测到宇宙的加速度。该研究工作于2014年7月25日在美国物理学会Physical Review Letters杂志上发表。

20世纪20年代美国天文学家Hubble发现宇宙在膨胀, 并根据当时少量的观测数据总结得出著名的Hubble定律, 因此爱因斯坦也为自己构造了一个静止的宇宙而后悔不已。根据Hubble定律, 通过观测河外星系的红移可以测量星系的退行速度,基本相当于宇宙整体膨胀的速度。既然宇宙在膨胀, 那么宇宙膨胀是加速的还是减速的, 如何测量宇宙的加速度(或者减速度)? 这是自发现宇宙膨胀以来天体物理学家和宇宙学家一直在探索的问题。1998年国际上两个超新星研究组里用超新星观测同时发现了宇宙由于现阶段暗能量的主导存在导致其在加速膨胀。因此2011年诺贝尔物理学奖授予两个研究组的三位天体物理学家。但是迄今为止所有测量宇宙加速膨胀的方法都是间接方法, 包括获得2011年诺贝尔物理学奖的超新星方法。宇宙膨胀加速度大约1 mm/(s yr)——相当于在一年的间隔中增加了蚂蚁爬行的速度。这需要极高的宇宙学观测精度, 其间接方法测量难度相当大,那么是否可以直接测量?

中学物理就已经告诉我们测量运动物体速度随时间的变化率: 加速度(或者减速度)的直接测量方法。如此简单的方法同样可以用于宇宙加速度测量中: 在宇宙学尺度上, 在相当长的时间间隔内测量宇宙中同一个天体的退行速度的变化。但是如何真正实现直接测量宇宙膨胀的加速度成为宇宙学观测领域的挑战。最近北京师范大学天文系张同杰宇宙学团队博士研究生于浩然和加拿大理论天体物理研究所彭威礼宇宙学团队合作,基于Sandage-Loeb效应也称Redshift Drift(红移拖坠)原理(详细见文章arXiv:1311.1583)提出了第一个宇宙加速膨胀的直接测量方法。 通过对宇宙中同一颗遥远的类星体射电辐射穿过位于星系际之间中性氢云时的21 cm吸收线长时间连续观测,测量其谱线的移动或者红移的变化得出中性氢云的速度变化,从而最终测量宇宙的加速度(见图1)。因为与星系发射线相比,21 cm线很窄,很容易观测其微小的速度变化。将来的射电巡天观测(例如加拿大正在建设中CHIME)能够观测十几万个中性氢云的速度变化,将会进一步测量宇宙膨胀的加速度。该研究详细的理论计算表明, 像CHIME这样的将来的射电巡天观测通过对宇宙中同一颗遥远的类星体射电辐射穿过位于星系际之间中性氢云时的21 cm吸收线连续观测10年以上,可以在5σ置信水平上直接探测到宇宙的加速度(见图2)。随着以国际SKA为标志的天文射电观测的第二次高峰时代的来临,宇宙加速膨胀的射电直接测量也将会是未来宇宙学观测的主要方向之一。期待着中国正在建设中的500米FAST在宇宙加速膨胀的射电直接测量上率先取得国际性成果。

图1 : 宇宙加速膨胀射电直接测量方法示意图

图2 : 射电直接测量方法对宇宙加速度的理论预言

该研究成果于7月24日网络版发表, 并且被Physical Review Letters主编推荐为亮点(Highlights)文章: Editors’ suggestion + Featured in Physics文章; 在美国物理学会网站的封面(cover)文章做了专题介绍(Synopsis)。于7月25日Physical Review Letters正式发表。该研究在国家重点基础研究发展计划(973计划)”射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究”之子课题”宇宙学和暗物质”和国家自然科学基金面上项目”宇宙暗物质和弱引力透镜功率谱的信息量研究”资助下完成。(来源:北京师范大学)

 
 
 
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