来自宇宙时间开端的声音重子声学振荡

　　在更大尺度上的宇宙研究曾经是所有天体物理学中最不精确的，巨大的距离使精确测量几乎成为不可能。但随着我们的望远镜和技术不断地改进，现在情况已经大不相同了。我们生活在精确宇宙学的时代，我们知道精确的宇宙细节：支配我们宇宙诞生、进化和终结的特性。
　　在以前的文章中，我们谈到了其中一个特性：哈勃常数，以及它的测量带来的冲突。今天，我们将讨论另一种可能有助于解决这一问题的测量方法：重子声学振荡，它们是宇宙中最早声波的化石，烙印在空间星系的分布上。在这些模式中，我们可以阅读宇宙的膨胀历史。重子声学振荡
　　在我们宇宙生命的最初几十万年里，所有空间都充满了等离子形式的氢和氦，我们将这些称为重子。这是因为当时的温度还很高，电子还无法被原子核所捕获。每个电子周围大约有十亿个光子，每个光子都会受到自由电子的影响。这些电子会散射任何波长的光，反过来电子也会被光子所影响，而电子又将这种作用施加在原子核上。我们说在这种状态下，光与物质耦合，重子和光子形成了一种奇怪的流体：重子光子等离子体。
　　与现在宇宙的温和气体云相比，这种状态下的物质行为存在三个深刻的差异。首先，重子光子等离子体是不透明的。第二，光能对这种等离子体施加巨大的压力，它会导致巨大的声波。第三，这些声波传播得很快，带电粒子之间通过俘获光子的快速相互作用意味着等离子体中的声波以超过光速的一半传播。
　　混在重子和光子汤中的是暗物质。事实上，暗物质比重子要重5倍，这意味着它是早期宇宙中占主导地位的引力影响。但与重子不同，它根本不与光相互作用。宇宙充满了重子、光子和暗物质的炽热海洋，现在我们需要最后一个要素：密度波动。这些波动可能是宇宙在亚原子大小时随机量子波动的残余，而现在它们随着宇宙膨胀而极大地扩大了。
　　每个过密区域的引力都作用于其周围区域，将物质拉向自身。特别是，暗物质朝着这个密度峰值向内流动。但同样在那个峰值处，被禁锢的光子向外施加了巨大的压力。为了平衡这种压力，辐射向外推动并携带重子，这导致了声波的产生，它以一种增加密度的膨胀壳的形式出现。请记住，当时声音的速度大约是光速的一半，所以外壳扩大得很快。
　　宇宙在膨胀，大约在38万年的时候，等离子体达到了3000开尔文的临界温度，大约是最冷红矮星的表面温度。在这个温度下，电子最终可以被原子核捕获而形成一个真正的原子。重子从等离子体同相转变为气体，我们称此相变事件为重组。结果是，光和物质不再耦合，宇宙从不透明变为透明。随着等离子体波和光子的解耦，光开始作为宇宙背景辐射在空间中自由流动。
　　随着等离子体变成气体，声速从光速的一半下降到每秒只有数百米。等离子体波转化成气体波基本上冻结在其当前状态，那个壳的半径固定在宇宙的膨胀率上。那么，它的大小呢？声波可以在当时的宇宙年龄中传播确切的距离，我们称之为声音视界。当重组事件发生时，它的大小大约是50万光年。现在，宇宙扩大了1100倍，所以这个壳的大小应该是5亿光年左右。
　　现在，我们仍然可能看到这些壳的存在，不过它们不是由等离子体或气体构成，而是由星系构成。乍一看，天空中的星系好像是零星分布的，但模式是存在的。探测它需要对天空进行最详细的调查，需要进行星系红移调查。通过仔细测量星系在天空中的位置，红移巡天可以生成宇宙的三维地图。2005年，北半球的斯隆星系巡天和南半球的两度视场星系红移巡天首次发现了重子声学振荡信号。
　　对重子声学振荡的研究为我们提供了一个标准的天空尺，跨越了整个的宇宙时间。它使我们能够追踪宇宙的膨胀率，为宇宙膨胀的测量提供了一个独立的证据。