Барионные акустические колебания

редактировать

В космологии, барионные акустические колебания (BAO ) представляют собой флуктуации плотности видимой барионной материи (нормального вещества) Вселенной, вызванные акустическими волнами плотности в первичной плазме ранней Вселенной. Точно так же, как сверхновые обеспечивают «стандартную свечу » для астрономических наблюдений, кластеризация материи BAO обеспечивает «стандартную линейку » для шкалы длины в космологии. Длина этой стандартной линейки определяется максимальным расстоянием, на которое акустические волны могут пройти в первичной плазме, прежде чем плазма остынет до точки, в которой она превратилась в нейтральные атомы (эпоха рекомбинации ), что остановило расширение волн плотности плазмы, «замораживая» их на месте. Длину этой стандартной линейки (≈490 миллионов световых лет в современной Вселенной) можно измерить, взглянув на крупномасштабную структуру материи с помощью астрономических обзоров. Измерения BAO помогают космологам лучше понять природу темной энергии (которая вызывает ускоренное расширение Вселенной ), ограничивая космологические параметры.

Содержание

1 ранняя вселенная
2 Космический звук
3 Стандартная линейка
4 Сигнал BAO в цифровом обзоре неба Sloan
5 Обнаружение в других обзорах галактик
6 Формализм темной энергии
- 6.1 Ограничения BAO для темноты параметры энергии
- 6.2 Общая теория относительности и темная энергия
- 6.3 Измеренные наблюдаемые темной энергии
7 См. также
8 Ссылки
9 Внешние ссылки

Ранняя Вселенная

ранняя Вселенная состояла из горячей плотной плазмы из электронов и барионов (протонов и нейтронов). Фотоны (световые частицы), путешествующие в этой Вселенной, были по существу захвачены, не имея возможности пройти какое-либо значительное расстояние до взаимодействия с плазмой посредством томсоновского рассеяния. 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 379000 лет, или при красном смещении z = 1089. Фотоны в гораздо меньшей степени взаимодействуют с нейтральным веществом, и, следовательно, при рекомбинации Вселенная стали прозрачными для фотонов, что позволило им отделить от материи и свободно течь через вселенную. С технической точки зрения, длина свободного пробега фотонов стала порядка размеров Вселенной. космическое микроволновое фоновое (CMB) излучение - это свет, который был испущен после рекомбинации, который только сейчас достигает наших телескопов. Поэтому, глядя, например, на данные зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), можно в основном оглядываться назад во времени, чтобы увидеть изображение Вселенной, когда ей было всего 379 000 лет.

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

WMAP указывает (рисунок 1) на гладкую однородную Вселенную с плотностью анизотропия 10 частей на миллион. Однако в нынешней Вселенной есть большие структуры и флуктуации плотности. Галактики, например, в миллион раз плотнее, чем средняя плотность Вселенной. 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, таким образом, эти небольшие анизотропии, наблюдаемые в реликтовом излучении, стали сегодня крупномасштабными структурами во Вселенной.

Космический звук

Представьте себе сверхплотную область изначальной плазмы. Хотя эта область сверхплотности гравитационно притягивает к себе материю, тепло взаимодействия фотона с веществом создает большое количество внешнего давления. Эти противодействующие силы гравитации и давления создавали колебания, аналогичные звуковым волнам, создаваемым в воздухе разницей давления.

Эта сверхплотная область содержит темную материю, барионы и фотоны. Давление приводит к тому, что сферические звуковые волны как барионов, так и фотонов движутся со скоростью, немного превышающей половину скорости света, из сверхплотности. Темная материя взаимодействует только гравитационно и поэтому остается в центре звуковой волны, источнике сверхплотности. Перед развязкой фотоны и барионы двигались наружу вместе. После разделения 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. Без давления фотобарионов, выталкивающего систему наружу, единственной оставшейся силой на барионы была гравитация. Таким образом, барионы и темная материя (оставленные в центре возмущения) сформировали конфигурацию, включающую сверхплотность материи как в исходном месте анизотропии, так и в оболочке на звуковом горизонте для этой анизотропии.

Такая анизотропия в конечном итоге превратилась в рябь плотности материи, из которой образовались галактики. Следовательно, можно было бы ожидать увидеть большее количество пар галактик, разделенных шкалой расстояний до горизонта звука, чем другими шкалами длин. Эта конкретная конфигурация вещества возникала при каждой анизотропии в ранней Вселенной, и поэтому Вселенная состоит не из одной звуковой ряби, а из множества перекрывающихся ряби. В качестве аналогии представьте, что вы бросаете много гальки в пруд и наблюдаете за волнами в воде. Невозможно наблюдать это предпочтительное разделение галактик в масштабе звукового горизонта на глаз, но можно измерить этот артефакт статистически, глядя на разделение большого числа 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 этой шкалы с высокой точностью. Однако в период между рекомбинацией и сегодняшним днем Вселенная расширяется. Это расширение хорошо подтверждается наблюдениями и является одной из основ модели большого взрыва. В конце 1990-х годов наблюдения сверхновых показали, что Вселенная не только расширяется, но и расширяется с возрастающей скоростью. Лучшее понимание ускорения Вселенной или темной энергии стало одним из самых важных вопросов в космологии сегодня. 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). Таким образом, BAO предоставляет измерительную линейку, с помощью которой можно лучше понять природу ускорения, полностью независимую от техники сверхновой.

сигнала BAO в Sloan Digital Sky Survey

Sloan Digital Sky Survey (SDSS) - это 2,5-метровый широкоугольный оптический телескоп в обсерватории Apache Point в Нью-Мексико. Целью этого пятилетнего обзора было получение изображений и спектров 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 z = 0,47. Они проанализировали кластеризацию этих галактик, вычислив по данным двухточечную корреляционную функцию . Корреляционная функция (ξ) является функцией сопутствующего расстояния (а) разделения галактик 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 неуклюжего характера образования галактик) и низкой корреляции на больших расстояниях разделения. Сигнал BAO будет проявляться в корреляционной функции в виде выпуклости на сопутствующем расстоянии, равном звуковому горизонту. Этот сигнал был обнаружен командой SDSS в 2005 году. SDSS подтвердил результаты WMAP о том, что звуковой горизонт в современной Вселенной составляет ~ 150 Мпк.

Обнаружение в других обзорах галактик

Сотрудничество 2dFGRS и сотрудничество SDSS сообщили об обнаружении сигнала BAO в спектре мощности примерно в одно и то же время в 2005 году. Обе команды признаны и признаны сообществом за открытие, о чем свидетельствует приз Шоу 2014 по астрономии, которая была присуждена обеим группам. С тех пор о дальнейших обнаружениях сообщалось в 6dF Galaxy Survey (6dFGS) в 2011 г., WiggleZ в 2011 г. и BOSS в 2012 г.

Формализм темной энергии

Ограничения BAO на параметры темной энергии

BAO в радиальном и поперечном направлениях обеспечивают измерения параметра Хаббла и расстояния по угловому диаметру, 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 $a (t) {\ displaystyle a (t)}$ $a (t)$ , который равен относится к красному смещению :

a (t) ≡ (1 + z (t)) - 1 {\ displaystyle a (t) \ Equiv (1 + z (t)) ^ {- 1} \!}

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

Параметр Хаббла, $H (z) {\ displaystyle H (z)}$ $H (z)$ , с точки зрения масштабного коэффициента:

H (t) ≡ a ˙ a {\ displaystyle H (t) \ Equiv {\ frac {\ dot {a}} {a}} \!}

H (t) \ Equiv {\ frac {{\ dot a}} {a}} \!

где $a ˙ {\ displaystyle {\ dot {a}}}$ ${\ dot a}$ - это производная по времени от масштабного коэффициента. Уравнения Фридмана выражают расширение Вселенной в терминах гравитационной постоянной Ньютона, $GN {\ displaystyle G_ {N}}$ $G _ {{N}}$ , среднего манометрическое давление, $p {\ displaystyle p}$ $p$ , плотность Вселенной $ρ {\ displaystyle \ rho \!}$ $\ rho \!$ , кривизна, $k {\ displaystyle k}$ $k$ и космологическая постоянная, $Λ {\ displaystyle \ Lambda \!}$ $\ Lambda \!$ :

ЧАС 2 знак равно (a ˙ a) 2 = 8 π G 3 ρ - kc 2 a 2 + Λ c 2 3 {\ displaystyle 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}}}

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}}

H ˙ + H 2 = a ¨ a = - 4 π G 3 (ρ + 3 шт. 2) + Λ c 2 3 {\ displaystyle {\ 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}}}

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

Наблюдательные свидетельства ускорения Вселенной подразумевают, что (в настоящее время) $а ¨>0 {\ displaystyle {\ ddot {a}}>0}$ ${\ddot {a}}>0$ . Поэтому возможны следующие объяснения:

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

w = p ρ < − 1 / 3 {\displaystyle w={\frac {p}{\rho }}<-1/3\!}

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

Космологическая постоянная, отличная от нуля, $Λ {\ displaystyle \ Lambda \!}$ $\ Lambda \!$ .
Уравнения Фридмана неверны, поскольку они содержат чрезмерные упрощения, чтобы упростить вычисление общих релятивистских уравнений поля.

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

Измеренные наблюдаемые темной энергии

Параметр плотности, $Ω {\ displaystyle \ Omega \!}$ $\ Omega \!$ различных компонентов, $x {\ displaystyle x}$ $x$ Вселенной можно выразить как отношение плотности $x {\ displaystyle x}$ $x$ к критической плотности., $ρ c {\ displaystyle \ rho _ {c} \!}$ $\ rho _ {c} \!$ :

ρ c = 3 H 2 8 π G {\ displaystyle \ rho _ {c} = {\ frac {3H ^ { 2}} {8 \ pi G}}}

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

Ω x ≡ ρ x ρ c = 8 π G ρ x 3 H 2 {\ displaystyle \ Omega _ {x} \ Equiv {\ frac {\ rho _ {x }} {\ rho _ {c}}} = {\ frac {8 \ pi G \ rho _ {x}} {3H ^ {2}}}}

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

Уравнение Фридмана может быть переписан в терминах параметра плотности. Для текущей преобладающей модели Вселенной, ΛCDM, это уравнение выглядит следующим образом:

H 2 (a) = (a ˙ a) 2 = H 0 2 [Ω ma - 3 + Ω ra - 4 + Ω ка - 2 + Ω Λ a - 3 (1 + w)] {\ displaystyle 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]}

H ^ {2} (a) = \ left ({\ frac {{\ точка {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, и w - уравнение состояния. Измерения CMB из WMAP накладывают жесткие ограничения на многие из этих параметров ; однако важно подтвердить и дополнительно ограничить их, используя независимый метод с другой систематикой.

Сигнал BAO представляет собой стандартную линейку, так что длину звукового горизонта можно измерить как функцию космического времени. Он измеряет два космологических расстояния: параметр Хаббла, $H (z) {\ displaystyle H (z)}$ $H (z)$ , и расстояние по угловому диаметру, $d A ( z) {\ displaystyle d_ {A} (z)}$ $d_ {A} (z)$ , как функция redshift $(z) {\ displaystyle (z)}$ $(z)$ . Измеряя угол наклона, $Δ θ {\ displaystyle \ Delta \ theta}$ $\ Delta \ theta$ линейки длины $Δ χ {\ displaystyle \ Delta \ chi}$ $\ Delta \ chi$ , эти параметры определяются следующим образом:

Δ θ = Δ χ d A (z) {\ displaystyle \ Delta \ theta = {\ frac {\ Delta \ chi} {d_ {A} ( z)}} \!}

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

d A (z) ∝ ∫ 0 zdz ′ H (z ′) {\ displaystyle d_ {A} (z) \ propto \ int _ {0} ^ {z} {\ frac {dz '} {H (z')}} \!}

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

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

c Δ z = H (z) Δ χ {\ displaystyle c \ Delta z = H (z) \ Delta \ chi \!}

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

Следовательно, метод BAO помогает ограничивают космологические параметры и позволяют лучше понять природу темной энергии.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки