Baryon Acoustic Oscillations

การสั่นสะเทือนอะคูสติกของบาไรออน

คลื่นเสียงในพลาสมาดั้งเดิมที่ทิ้งมาตราส่วนระยะทางเฉพาะตัว ใช้เป็น "ไม้บรรทัดมาตรฐาน"

บทบาทของคลื่นเสียงดั้งเดิม

ใน เอกภพยุคแรก (ก่อนการรวมตัวใหม่ที่ประมาณ 380,000 ปีหลังบิ๊กแบง) จักรวาลเต็มไปด้วยพลาสมาร้อนของ โฟตอน อิเล็กตรอน โปรตอน—"ของไหลโฟตอน-แบรีออน" ในช่วงเวลานี้ แรงที่แข่งขันกันระหว่าง แรงโน้มถ่วง (ดึงสสารเข้าสู่ความหนาแน่นสูง) และ แรงดันโฟตอน (ดันออกไปข้างนอก) สร้าง การสั่นสะเทือนอะคูสติก—ซึ่งก็คือ คลื่นเสียง—ภายในพลาสมานี้ เมื่อเอกภพเย็นลงพอที่โปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมตัวเป็นไฮโดรเจนกลาง กลุ่มโฟตอนก็แยกตัวออก (ก่อให้เกิด CMB) การแพร่กระจายของคลื่นเสียงเหล่านี้ทิ้ง มาตราส่วนระยะทาง ที่ชัดเจน—ประมาณ 150 Mpc ในพิกัดร่วมเคลื่อนที่ของวันนี้—ฝังอยู่ทั้งในมาตราส่วนมุมของ CMB และ การกระจายตัวของสสารในระดับใหญ่ในภายหลัง การสั่นสะเทือนอะคูสติกของแบรีออน (BAOs) เหล่านี้เป็นจุดยึดสำคัญในการวัดทางจักรวาลวิทยา ทำหน้าที่เป็น ไม้บรรทัดมาตรฐาน เพื่อติดตามการขยายตัวของจักรวาลตามกาลเวลา

การสังเกต BAOs ใน การสำรวจกาแล็กซี และการเปรียบเทียบสเกลนั้นกับขนาดที่ทำนายจากฟิสิกส์ยุคแรกของจักรวาลช่วยให้นักดาราศาสตร์วัด พารามิเตอร์ฮับเบิล และผลกระทบของ พลังงานมืด ได้ ดังนั้น BAOs จึงทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสำคัญในการปรับปรุงแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน (ΛCDM) ด้านล่างนี้ เราจะอธิบายแหล่งกำเนิดทางทฤษฎี การตรวจจับด้วยการสังเกต และการใช้งานในจักรวาลวิทยาความแม่นยำของ BAOs

2. แหล่งกำเนิดทางกายภาพ: ของไหลโฟตอน-บารอน

2.1 พลวัตก่อนการรวมตัว

ในพลาสมาร้อนและหนาแน่นในยุคแรกเริ่ม (ก่อน ~z = 1100) โฟตอนกระเจิงบ่อยครั้งกับอิเล็กตรอนอิสระ ทำให้บารอน (โปรตอน + อิเล็กตรอน) ผูกพันแน่นกับรังสี แรงโน้มถ่วง พยายามดึงสสารเข้าสู่บริเวณที่มีความหนาแน่นเกิน แต่ แรงดันโฟตอน ต่อต้านการบีบอัด นำไปสู่ การสั่นสะเทือนเสียง เหล่านี้สามารถอธิบายได้ด้วยสมการคลื่นสำหรับความแปรปรวนความหนาแน่นในของไหลที่มีความเร็วเสียงสูง (ใกล้เคียง c / √3 เนื่องจากการครอบงำของโฟตอน)

2.2 ขอบฟ้าเสียง

ระยะทางสูงสุดที่คลื่นเสียงเหล่านี้สามารถเดินทางได้ตั้งแต่บิ๊กแบงจนถึง การรวมตัว กำหนดสเกลลักษณะเฉพาะของ ขอบฟ้าเสียง เมื่อจักรวาลกลายเป็นกลาง (โฟตอนแยกตัว) การแพร่กระจายของคลื่นจะหยุดลง “แช่แข็ง” เปลือกความหนาแน่นเกินที่ ~150 Mpc (ร่วมเคลื่อนที่) “ขอบฟ้าเสียงในยุคดึง” นี้เป็นสเกลพื้นฐานที่สังเกตได้ทั้งใน CMB และ ความสัมพันธ์ของกาแล็กซี ใน CMB มันปรากฏเป็นสเกล ยอดเขาอะคูสติก (~1 องศาบนท้องฟ้า) ในการสำรวจกาแล็กซี สเกล BAO ปรากฏในฟังก์ชันความสัมพันธ์สองจุดหรือสเปกตรัมพลังงานที่ ~100–150 Mpc

2.3 หลังการรวมตัว

เมื่อโฟตอนแยกตัวออกมา บารอนจะไม่ถูกดึงโดยรังสีอีกต่อไป ดังนั้นการสั่นสะเทือนเสียงเพิ่มเติมจึงสิ้นสุดลงอย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเวลาผ่านไป สสารมืดและบารอนยังคงยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงเข้าสู่ฮาโล สร้างโครงสร้างจักรวาล แต่รอยประทับของรูปแบบคลื่นเริ่มต้นนั้นยังคงอยู่ในรูปแบบความชอบเล็กน้อยที่ทำให้กาแล็กซีแยกจากกันด้วยสเกลนั้น (~150 Mpc) บ่อยกว่าที่การแจกแจงแบบสุ่มจะบ่งชี้ ดังนั้น “การสั่นสะเทือนเสียงบารอน” จึงมองเห็นได้ในฟังก์ชันความสัมพันธ์ของกาแล็กซีขนาดใหญ่

3. การตรวจจับ BAOs ด้วยการสังเกต

3.1 การทำนายและการตรวจจับในช่วงแรก

ลายเซ็น BAO ถูกยอมรับในช่วงทศวรรษ 1990–2000 ว่าเป็นวิธีวัดพลังงานมืด SDSS (Sloan Digital Sky Survey) และ 2dF (Two Degree Field Survey) ค้นพบ “ปุ่ม” BAO ในฟังก์ชันสหสัมพันธ์กาแล็กซีราวปี 2005 ซึ่งเป็นการตรวจจับที่มั่นคงครั้งแรกในโครงสร้างขนาดใหญ่ [1,2] ซึ่งให้ไม้บรรทัดมาตรฐานอิสระ เสริมกับการวัดระยะทางซูเปอร์โนวา

3.2 ฟังก์ชันสหสัมพันธ์กาแล็กซีและสเปกตรัมพลังงาน

จากการสังเกต สามารถวัดได้ว่า:

  • ฟังก์ชันสหสัมพันธ์สองจุด ξ(r) ของตำแหน่งกาแล็กซี BAO ปรากฏเป็นยอดเล็ก ๆ รอบ r ∼ 100–110 h-1 Mpc
  • สเปกตรัมพลังงาน P(k) ในพื้นที่ฟูริเยร์ BAO ปรากฏเป็นลักษณะการสั่นเบา ๆ ใน P(k)

สัญญาณเหล่านี้ละเอียดอ่อน (~การเปลี่ยนแปลงไม่กี่เปอร์เซ็นต์) ต้องการการทำแผนที่ปริมาตรจักรวาลขนาดใหญ่ด้วยความสมบูรณ์สูงและควบคุมระบบผิดพลาดได้ดี

3.3 การสำรวจสมัยใหม่

BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ SDSS-III วัดกาแล็กซีแดงสว่างประมาณ 1.5 ล้านดวง (LRGs) ปรับปรุงข้อจำกัดมาตราส่วน BAO eBOSS และ DESI ก้าวไปไกลขึ้น ครอบคลุมเรดชิฟต์ที่สูงขึ้น (ใช้กาแล็กซีเส้นปล่อยก๊าซ, ควาซาร์, ป่า Lyα) Euclid และ กล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมัน ในอนาคตอันใกล้จะทำแผนที่กาแล็กซีพันล้านดวง วัด BAO ด้วยความแม่นยำระดับเปอร์เซ็นต์หรือดีกว่า จึงกำหนดประวัติการขยายตัวตลอดเวลาจักรวาลและทดสอบแบบจำลองพลังงานมืด

4. BAO ในฐานะไม้บรรทัดมาตรฐาน

4.1 หลักการ

เนื่องจากความยาวทางกายภาพของขอบเขตเสียงที่การรวมตัวใหม่สามารถคำนวณได้จากฟิสิกส์ที่ทราบดี (ข้อมูล CMB + อัตราปฏิกิริยานิวเคลียร์ ฯลฯ) ขนาดมุมที่สังเกตได้ (ในทิศทางขวาง) และการแยกเรดชิฟต์ (ในทิศทางเส้นสายตา) ของมาตราส่วน BAO ให้การวัดระยะทาง-เรดชิฟต์ ในจักรวาล ΛCDM แบน เหล่านี้วัดระยะทางเส้นผ่านศูนย์กลางมุม DA(z) และพารามิเตอร์ฮับเบิล H(z) โดยการเปรียบเทียบทฤษฎีกับข้อมูล เราสามารถแก้สมการสถานะของพลังงานมืดหรือความโค้งได้

4.2 เสริมกับซูเปอร์โนวา

ในขณะที่ ซูเปอร์โนวาไทป์ Ia ทำหน้าที่เป็น “เทียนมาตรฐาน” BAO ทำหน้าที่เป็น “ไม้บรรทัดมาตรฐาน” ทั้งสองตรวจสอบการขยายตัวของจักรวาล แต่มีระบบผิดพลาดที่แตกต่างกัน: SNe อาจมีความไม่แน่นอนในการปรับเทียบความสว่าง ในขณะที่ BAO พึ่งพาความลำเอียงของกาแล็กซีและโครงสร้างขนาดใหญ่ การรวมกันของทั้งสองให้การตรวจสอบข้ามและข้อจำกัดที่เข้มแข็งขึ้นเกี่ยวกับพลังงานมืด เรขาคณิตจักรวาล และความหนาแน่นของสสาร

4.3 ข้อจำกัดล่าสุด

ข้อมูล BAO ปัจจุบันจาก BOSS/eBOSS ร่วมกับ Planck CMB ให้ข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับ Ωm, ΩΛ, และค่าคงที่ฮับเบิล ความตึงเครียดบางส่วนกับ H ท้องถิ่น0 การวัดยังคงมีความแตกต่าง แม้ว่าจะน้อยกว่าความตึงเครียดโดยตรงกับ CMB ระยะทาง BAO ยืนยันกรอบงาน ΛCDM อย่างแข็งแกร่งจนถึง z ≈ 2.3 โดยไม่มีหลักฐานสำคัญสำหรับพลังงานมืดที่เปลี่ยนแปลงหรือความโค้งขนาดใหญ่

5. การจำลองเชิงทฤษฎีของ BAO

5.1 การวิวัฒนาการเชิงเส้นและไม่เชิงเส้น

ในทฤษฎีเชิงเส้น ขนาด BAO ยังคงเป็นระยะทางร่วมที่คงที่ซึ่งถูกบันทึกไว้ที่การรวมตัวใหม่ เมื่อเวลาผ่านไป การเติบโตของโครงสร้างทำให้มันบิดเบี้ยวเล็กน้อย ผลกระทบที่ไม่เชิงเส้น ความเร็วเฉพาะตัว และอคติของดาราจักรอาจเลื่อนหรือเบลอจุดสูงสุด BAO นักวิจัยจำลองสิ่งเหล่านี้อย่างระมัดระวัง (โดยใช้ทฤษฎีการรบกวนหรือการจำลอง N-body) เพื่อหลีกเลี่ยงความคลาดเคลื่อนระบบ เทคนิค การสร้างใหม่ พยายามย้อนการไหลในระดับกว้าง ทำให้จุดสูงสุด BAO คมชัดขึ้นเพื่อการวัดระยะทางที่แม่นยำกว่า

5.2 การเชื่อมโยงบาเรียน-โฟตอน

ความเข้มของ BAO ขึ้นอยู่กับสัดส่วนบาเรียน (fb) เทียบกับสัดส่วนสสารมืด หากบาเรียนมีน้อยมาก ลายเซ็นอะคูสติกจะหายไป ความเข้มของ BAO ที่สังเกตได้ พร้อมกับจุดสูงสุดอะคูสติก CMB กำหนดบาเรียนที่ประมาณ 5% ของความหนาแน่นวิกฤต เทียบกับประมาณ 26% สำหรับสสารมืด—เป็นหนึ่งในวิธีที่เรายืนยันความสำคัญของสสารมืด

5.3 ความเบี่ยงเบนที่อาจเกิดขึ้น

ทฤษฎีทางเลือก (เช่น แก้ไขแรงโน้มถ่วง, DM อุ่น หรือพลังงานมืดยุคแรก) อาจเปลี่ยนแปลงลักษณะ BAO หรือการลดทอน จนถึงตอนนี้ ΛCDM มาตรฐานกับ DM เย็นตรงกับข้อมูลได้ดีที่สุด การสังเกตความแม่นยำสูงในอนาคตอาจตรวจจับความผิดปกติเล็กน้อยหากฟิสิกส์ใหม่เปลี่ยนแปลงการขยายตัวจักรวาลหรือการก่อตัวโครงสร้างในยุคแรก

6. BAO ในการทำแผนที่ความเข้ม 21 ซม.

นอกเหนือจากการสำรวจดาราจักรในช่วงแสงและอินฟราเรด วิธีที่กำลังเกิดขึ้นคือ การทำแผนที่ความเข้ม 21 ซม. ซึ่งวัดความผันผวนของอุณหภูมิความสว่าง HI ในระดับกว้างโดยไม่ต้องแยกดาราจักรแต่ละดวง วิธีนี้สามารถตรวจจับสัญญาณ BAO ในปริมาตรจักรวาลขนาดใหญ่ได้ อาจขยายไปถึงเรดชิฟต์สูง (z > 2) อาร์เรย์ที่กำลังจะมาถึงเช่น CHIME, HIRAX และ SKA อาจวัดการขยายตัวในยุคแรกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ปรับปรุงหรือค้นพบปรากฏการณ์จักรวาลใหม่ๆ

7. บริบทกว้างขึ้นและอนาคต

7.1 ข้อจำกัดพลังงานมืด

โดยการวัดขนาด BAO อย่างแม่นยำในเรดชิฟต์ต่างๆ นักจักรวาลวิทยาจะวางแผนที่ DA(z) และ H(z) ข้อมูลนี้เสริมอย่างมากกับโมดูเล่ของระยะทางซูเปอร์โนวา ข้อจำกัด CMB และเลนส์โน้มถ่วง การวิเคราะห์ร่วมกันสร้างข้อจำกัด "สมการสถานะพลังงานมืด" เพื่อสอบสวนว่า w = -1 (ค่าคงที่จักรวาล) หรือมีวิวัฒนาการ w(z) หรือไม่ จนถึงตอนนี้ ข้อมูลยังคงสอดคล้องกับ w ≈ -1 ที่เกือบคงที่

7.2 การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ข้าม

การเชื่อมโยง BAO ในการสำรวจดาราจักรเข้ากับชุดข้อมูลอื่นๆ—แผนที่เลนส์ CMB การสัมพันธ์ของฟลักซ์ป่าLyα แคตตาล็อกกลุ่มดาว—ช่วยเพิ่มความแม่นยำและขจัดความซับซ้อน ความร่วมมือกันนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดระบบผิดพลาดลงสู่ระดับต่ำกว่าร้อยละ อาจช่วยชี้แจงความตึงเครียดฮับเบิลหรือการตรวจจับความโค้งเล็กน้อยหรือพลวัตพลังงานมืดที่ไม่ธรรมดา

7.3 โอกาสในยุคถัดไป

การสำรวจเช่น DESI, Vera Rubin Observatory (สำหรับ BAO แบบโฟโตเมตริก?), Euclid, Roman สัญญาว่าจะได้เรดชิฟต์หลายสิบล้านจุด ระบุสัญญาณ BAO ด้วยความแม่นยำอย่างน่าทึ่ง ซึ่งจะให้การวัดระยะทางที่ ~1% หรือน้อยกว่านั้นจนถึง z ≈ 2 การขยายเพิ่มเติม (เช่น การสำรวจ SKA 21 cm) อาจขยายไปยังเรดชิฟต์ที่สูงขึ้นอีก เชื่อมช่องว่างจักรวาลระหว่างการกระเจิงครั้งสุดท้ายของ CMB กับปัจจุบัน BAO จะยังคงเป็นกุญแจสำคัญสำหรับจักรวาลวิทยาความแม่นยำ

8. บทสรุป

Baryon Acoustic Oscillations—คลื่นเสียงดั้งเดิมในของไหลโฟตอน-บารอน—ได้ประทับ ขนาดลักษณะเฉพาะ บนทั้ง CMB และ การกระจายตัวของกาแล็กซี ขนาดนี้ (~150 Mpc co-moving) ทำหน้าที่เป็น ไม้บรรทัดมาตรฐาน ในประวัติศาสตร์การขยายตัวของจักรวาล ช่วยให้การวัดระยะทางมีความแม่นยำ ในตอนแรกถูกทำนายจากฟิสิกส์คลื่นเสียงของบิ๊กแบงอย่างง่าย BAO ได้รับการสังเกตอย่างชัดเจนในการสำรวจกาแล็กซีขนาดใหญ่และตอนนี้เป็นหัวใจสำคัญของจักรวาลวิทยาความแม่นยำ

จากการสังเกต BAO เสริมข้อมูลซูเปอร์โนวา ช่วยปรับปรุงข้อจำกัดเกี่ยวกับความหนาแน่นของ พลังงานมืด, สสารมืด และเรขาคณิตจักรวาล ขนาดที่ทนทานต่อความไม่แน่นอนเชิงระบบหลายประการทำให้ BAO เป็นหนึ่งในเครื่องมือสำรวจจักรวาลที่เชื่อถือได้มากที่สุด เมื่อการสำรวจใหม่ขยายขอบเขตเรดชิฟต์และปรับปรุงคุณภาพข้อมูล การวิเคราะห์ BAO จะยังคงเป็นวิธีหลัก—ช่วยให้เราสำรวจว่าพลังงานมืดเป็นค่าคงที่จริงหรือไม่ หรือฟิสิกส์ใหม่อาจปรากฏอย่างละเอียดในบันไดระยะทางจักรวาล แท้จริงแล้ว ด้วยการเชื่อมโยงฟิสิกส์ของจักรวาลยุคแรกกับการกระจายตัวของกาแล็กซีในยุคหลัง BAO จึงเป็นพยานที่น่าทึ่งของ เอกภาพ ในประวัติศาสตร์จักรวาล—ผูกคลื่นเสียงดั้งเดิมเข้ากับโครงข่ายจักรวาลขนาดใหญ่ที่เราเห็นในอีกหลายพันล้านปีต่อมา

เอกสารอ้างอิงและการอ่านเพิ่มเติม

  1. Eisenstein, D. J., et al. (2005). “การตรวจจับจุดสูงสุดอะคูสติกของบาไรออนในฟังก์ชันความสัมพันธ์ขนาดใหญ่ของ SDSS Luminous Red Galaxies.” The Astrophysical Journal, 633, 560–574.
  2. Cole, S., et al. (2005). “การสำรวจเรดชิฟต์กาแล็กซี 2dF: การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานของชุดข้อมูลสุดท้ายและผลกระทบทางจักรวาลวิทยา.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 362, 505–534.
  3. Weinberg, D. H., et al. (2013). “การตรวจสอบเชิงสังเกตของการเร่งความเร็วจักรวาล.” Physics Reports, 530, 87–255.
  4. Alam, S., et al. (2021). “การสำรวจสเปกโทรสโกปี Baryon Oscillation ที่ขยายของ SDSS-IV เสร็จสมบูรณ์: ผลกระทบทางจักรวาลวิทยาจากการสำรวจสเปกโทรสโกปีสองทศวรรษที่หอดูดาว Apache Point.” Physical Review D, 103, 083533.
  5. Addison, G. E., et al. (2023). “การวัด BAO และความตึงเครียดของฮับเบิล.” arXiv preprint arXiv:2301.06613.

 

← บทความก่อนหน้า                    บทความถัดไป →

 

 

กลับไปด้านบน

กลับไปที่บล็อก