Baryon Acoustic Oscillations

重子声振荡

声波在原始等离子体中留下了特征性的距离尺度，用作“标准尺”。

原始声波的作用

在 早期宇宙 （重组前约 380,000 大爆炸后几年），宇宙充满了热等离子体 光子、电子、质子-这 ”光子重子流体”在此期间， 重力 （将物质拉入过密状态）和 光子压力 （向外推）产生 声波振荡-本质上 声波 ——在这个等离子体中。当宇宙冷却到足以让质子和电子结合成中性氢时，光子就会分离（形成 中子束）。这些声波的传播留下了明显的 距离尺度 约150 当今共动坐标中的 Mpc——嵌入在 CMB 的角尺度和 随后大规模分发 物质。这些 重子声学振荡（BAO） 是宇宙学测量中的关键锚点，起到 标准尺 追踪宇宙随时间的膨胀。

观测 BAO 星系巡天 并将该尺度与早期宇宙物理学预测的大小进行比较，使天文学家能够测量 哈勃参数 从而产生的影响 暗能量。因此，BAO 是完善标准宇宙学模型的核心工具（ΛCDM)。下面，我们详细介绍BAO的理论起源、观测检测以及在精密宇宙学中的应用。

2. 物理起源：光子-重子流体

2.1 复合前动力学

在炽热、致密的原始等离子体中（~z = 1100 之前），光子频繁地从自由电子上散射，将重子（质子 + 电子）紧密耦合到辐射。 重力 试图将物质拉入密度过高的区域，但是 光子压力 抵抗压缩，导致 声波振荡。这些可以通过流体中具有高声速（由于光子占主导地位，接近 c/√3）的密度扰动的波动方程来描述。

2.2 声音视界

这些声波从大爆炸到 重组 设置特征 声音视界 尺度。当宇宙变为中性（光子解耦）时，波的传播停止，在约 150 的密度壳层中“冻结”。 Mpc（共动）。这个“拖曳时期的声音视界”是在两种情况下观察到的基本尺度 中子束 和 星系相关性在宇宙微波背景中，它表现为 声峰 规模（~1 度）。在星系巡天中，BAO 尺度出现在二点相关函数或功率谱中，约为 100–150 Mpc。

2.3 复合后

一旦光子解耦，重子就不再受辐射拖曳，因此进一步的声波振荡实际上就终止了。随着时间的推移，暗物质和重子在引力作用下继续坍缩成晕，形成宇宙结构。但最初波动模式的印记仍然存在，星系之间略微倾向于以该尺度（约150 百万秒差距（Mpc）的发生频率比随机分布所暗示的要高。因此，在大尺度星系关联函数中可以看到“重子声学振荡”。

3. BAOs的观测检测

3.1 早期预测和检测

20 世纪 90 年代至 21 世纪初，BAO 特征被公认为测量暗能量的一种手段。这 斯德巴赫决策支持系统 （斯隆数字巡天）和 2dF 二级巡天（Two Degree Field Survey，简称TWSC）在2005年左右发现了星系关联函数中的BAO“凸起”，这是首次在大尺度结构中发现的稳健证据[1,2]。这为超新星距离测量提供了一个独立的“标准尺”。

3.2 星系相关函数和功率谱

通过观察，我们可以测量：

  • 二点相关函数 星系位置的ξ(r)。BAO在r∼100–110 h附近出现一个小峰。-1 Mpc。
  • 功率谱 傅里叶空间中的 P(k)。BAO 表现为 P(k) 中的平缓振荡特征。

这些信号非常微妙（~百分之几的调制），需要将大量的宇宙映射到高完整性和良好控制的系统上。

3.3 现代调查

老板 （重子振荡光谱巡天），SDSS-III 的一部分，测量结果为 ~1.5 百万个发光红色星系（LRG），细化BAO尺度约束。 易博思 和 德西 进一步推进，覆盖更高的红移（使用发射线星系、类星体、Lyα森林）。 欧几里得 以及 罗曼太空望远镜 在不久的将来，将绘制数十亿个星系的地图，以百分比或更高的精度测量 BAO，从而确定宇宙时间的膨胀历史并测试暗能量模型。

4. BAO作为标准尺

4.1 原理

由于复合时声视界的物理长度可以通过众所周知的物理学知识（CMB数据+核反应速率等）计算出来，因此观测到的BAO尺度的角大小（横向）和红移分离（视线方向）可以提供距离-红移的测量值。 平坦的 ΛCDM 宇宙，这些测量角直径距离 D一个(z) 和哈勃参数 H(z)。通过理论与数据的比较，我们可以解出暗能量的状态方程或曲率。

4.2 与超新星互补

尽管 Ia型超新星 超新星作为“标准烛光”，而重子声波则作为“标准尺”。两者都探索宇宙膨胀，但系统性不同：超新星在光度校准方面可能存在不确定性，而重子声波则依赖于星系偏差和大尺度结构。将两者结合起来，可以进行交叉检验，并对暗能量、宇宙几何和物质密度进行更强有力的约束。

4.3 近期约束

目前来自 BOSS/eBOSS 的 BAO 数据与普朗克 CMB 相结合，对 Ω 产生了严格的限制米，ΩΛ和哈勃常数。与局部 H0 测量结果仍然存在，尽管它比直接与 CMB 的张力要小。BAO 距离强烈证实了 ΛCDM 框架，直到 z ≈ 2.3，并且没有证据表明存在暗能量演化或大曲率。

5. BAO的理论建模

5.1 线性和非线性演化

在线性理论中，BAO尺度在复合时保持固定的共移距离。随着时间的推移，结构生长会略微扭曲它。 非线性效应、特殊速度和星系偏差可能会偏移或模糊BAO峰值。研究人员会仔细地模拟这些因素（使用微扰理论或N体模拟），以避免系统性偏移。 重建 技术试图消除大规模流动，锐化 BAO 峰值以实现更精确的距离测量。

5.2 重子-光子耦合

BAO 的振幅取决于重子分数 (fb) 与暗物质分数的关系。如果重子可以忽略不计，声学特征就会消失。观测到的重子声学振荡振幅，以及宇宙微波背景声学峰值，将重子设定为临界密度的约 5%，而非……暗物质约占 26%——这是我们确认暗物质重要性的方法之一。

5.3 潜在偏差

替代理论（e.g……（例如，修正引力、暖暗物质模型或早期暗能量）可能会改变BAO特征或阻尼。到目前为止，带有冷暗物质模型的标准ΛCDM与数据最为吻合。如果新物理学在早期改变了宇宙膨胀或结构形成，未来的高精度观测或许能够探测到微小的异常。

6. 21厘米强度映射中的BAO

除了光学/红外星系巡天之外，一种新兴的方法是 21厘米强度映射，无需解析单个星系，即可测量大尺度HI亮度温度涨落。这种方法可以探测巨大宇宙体积内的BAO信号，并可能延伸至高红移（z > 2). 即将出现的数组，例如 钟声， 希拉克斯， 和 斯卡 可能更有效地测量早期扩张，进一步完善或发现新的宇宙现象。

7. 更广泛的背景和未来

7.1 暗能量约束

通过精确测量不同红移的 BAO 尺度，宇宙学家绘制了 D一个（z） 和 赫兹）这些数据有力地补充了超新星距离模量、宇宙微波背景约束和引力透镜效应。联合分析得出“暗能量状态方程”约束，探究 w = -1（宇宙常数）或 w(z) 是否存在演化。到目前为止，数据与近似常数 w = -1 保持一致。

7.2 互相关

将星系巡天中的 BAO 与其他数据集进行关联——CMB透镜 地图， Lyα 森林通量相关性、聚类目录——提高了准确性，并消除了退化现象。这种协同作用对于将系统性研究推向低于百分比的水平至关重要，可能阐明 哈勃张力 或检测轻微的曲率或非平凡的暗能量动态。

7.3 下一代前景

调查结果如下 德西， 维拉·鲁宾天文台 （用于光度 BAO？） 欧几里得， 罗马 有望实现数千万倍的红移，以令人难以置信的精度定位BAO信号。这将使距离测量精度达到约1%甚至更高，精度达到z ≈ 2。进一步扩展（e.g（例如SKA 21厘米巡天）可能会推动更高的红移，从而弥合CMB上次散射与现在之间的宇宙空隙。BAO仍将是精密宇宙学的基石。

8. 结论

重子声学振荡-那些 原始声波 在光子重子流体中印上 特征量表 在 中子束 和 星系分布. 这个尺度（~150 Mpc 同移）充当 标准尺 在宇宙膨胀历史中，这使得距离测量更加可靠。重子声波振荡最初是根据简单的大爆炸声学物理理论预测的，如今已在大型星系巡天中得到令人信服的观测，并成为精确宇宙学的核心。

从观测角度来看，BAO 补充了超新星数据，完善了对 暗能量， 暗物质 密度和宇宙几何。由于BAO相对不受许多系统性不确定性的影响，它成为最值得信赖的宇宙探测器之一。随着新巡天扩大红移覆盖范围并提高数据质量，BAO分析将继续作为一项基石方法——帮助我们探索暗能量是否真的是一个常数，或者宇宙距离阶梯中是否可能潜藏着新的物理现象。事实上，通过将早期宇宙的物理与星系的晚期分布联系起来，BAO 为 统一 宇宙历史——将原始声波与数十亿年后我们所看到的大规模宇宙网络联系在一起。

参考文献及延伸阅读

  1. 爱森斯坦，DJ 等。 （2005）。 “在 SDSS 明亮红色星系的大尺度相关函数中探测重子声学峰。” 《天体物理学杂志》， 633，560–574。
  2. Cole, S. 等人（2005 年）。 “2dF 星系红移调查：最终数据集的功率谱分析和宇宙学含义。” 皇家天文学会月刊， 362，505–534。
  3. Weinberg, DH 等人（2013 年）。 “宇宙加速的观测探测器。” 物理报告， 530，87–255。
  4. Alam, S. 等人（2021 年）。 “完成 SDSS-IV 扩展重子振荡光谱调查：阿帕奇点天文台二十年光谱调查的宇宙学意义。” 物理评论D， 103，083533。
  5. Addison, GE 等人 (2023)。 “BAO测量和哈勃张力。” arXiv 预印本 arXiv：2301.06613。

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