图2。(A)星系光谱红移观测示意图;(B)哈勃在观测中;(C)利用标准烛光测距示意图;(D)超新星作为宇宙标准烛光的示意图;(E)利用超新星观测得到的距离-红移关系以及与不同宇宙学模型的对比(图片来源:A-C:https://www.cfa.harvard.edu/supernova/;D:NASA/JPL-Caltech/R。Hurt;E:Bahcall et al。,1999,Science,284,1481)。
宇宙中确实存在我们需要的标准烛光:Ia型超新星(SN)。此类超新星是双星系统中,白矮星吸积物质,或双白矮星并合引起爆发形成的。这类星体在爆发时非常明亮,在短短几周内,其亮度可以与整个星系相比拟,在很遥远的距离上都可以观测到。经过多年努力,由Perlmutter、Schmidt和Riess领导的两个独立的超新星研究小组在1998年几乎同时发现,宇宙深处的超新星比一个通常的以物质为主的宇宙所给出的要暗(见图2E)。这个观测证据表明,宇宙的膨胀正在加速!
除超新星以外,重子声波振荡(BAO)是探测宇宙膨胀历史的另一枚重要探针。在宇宙早期,重子物质与光子紧密耦合,并在引力和光子压强两种相反的作用力下形成类似声波一样的振荡。随着宇宙膨胀,温度降低,这种声波振荡使得重子物质逐渐相互远离,直到宇宙大爆炸后约38万年的微波背景辐射(CMB)时期。从此光子与重子不再相互作用,声波振荡过程结束,星系之间的距离被“冻结”在一个特定的宇宙学尺度上,即BAO尺度(示意图见图3A)。BAO尺度大约为150兆秒差距(约4.9亿光年),具体数值依赖于宇宙学参数。观测上,我们可以通过测量不同尺度上星系对的数目(宇宙学上称为星系的两点关联函数)测量BAO尺度,进而测量宇宙学参数。由于利用BAO尺度直接受宇宙几何影响,而且BAO测距几乎不受系统误差影响,BAO被称为测量宇宙几何的标准尺(示意图见图3B)。目前国际上最大的BAO巡天实验为美国的斯隆数字巡天(SDSS)。其第三期的重子声波振荡光谱巡天(BOSS)通过测量一百万条星系光谱,首次在有效红移0.57处把BAO距离测量精度提高到1%的水平(Alam et al。,2016,arXiv:1607.03155),并成功在多个宇宙学红移测得高精度的BAO信号,为宇宙学研究提供重要观测支持(Zhao et al。,2016,MNRAS,466,762)。BAO的观测独立地表明,宇宙确实正在加速膨胀!