Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) — это крупнейший компонент третьей фазы проекта «SDSS» (Слоановский цифровой обзора неба — Sloan Digital Sky Survey), который предусматривает использование квазаров для отображения изменения плотности в межгалактическом газе в высоких красных смещениях, что в свою очередь позволяет отслеживать структуру молодой Вселенной. BOSS картографирует историю расширения Вселенной с целью как можно больше узнать о природе темной энергии. Следует отметить, что новые методы крупномасштабной структуры позволили наиболее точно измерить расширение Вселенной посредством анализа галактик, которые являются практически ровесниками Вселенной.
Квазары объединяют два отдельных аналитических метода. Концепция нового вида анализа, впервые проводившегося командой учёных во главе с физиком Andreu Font-Ribera из U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), была опубликована в конце прошлого года. Анализ предусматривает использование проверенного подхода, однако с задействованием гораздо большего количества данных, нежели в анализе, представленном Timothée Delubac из EPFL Switzerland and France’s Centre de Saclay и его командой. Комплексное использование этих двух анализов позволило установить темп расширения Вселенной на уровне 68 километров в секунду на каждый миллион световых лет с красным смещением 2,34. Точность этих данных беспрецедентная и составляет 2,2%.
По словам Font-Ribera, это значит, что есть возможность заглянуть в прошлое и увидеть, какой была Вселенная, когда ей было меньше ¼ нынешнего возраста. Он объясняет, что учёные, наблюдая за парой галактик, расстояние между которыми составляет 1 млн световых лет, могут увидеть, как они отдаляются друг от друга со скоростью 68 километров за секунду, что, собственно, и указывает на темп расширения Вселенной. Погрешность, по словам учёного, составляет плюс-минус всего 1,5 км/сек.
Font-Ribera представил результаты исследования на апрельской встрече Американского физического общества (American Physical Society), проходившей в Саванне (штата Джорджия).
BOSS использует пары галактик и отдельные квазары для того, чтобы измерить барионные акустические осцилляции (baryon acoustic oscillations — BAO), которые физики считают «отголосками» зарождения Вселенной, представленными акустическими волнами, колебания которых стали причиной неоднородного распределения материи. Иными словами, BAO указывает не только на возможное распределение тёмной материи, но и отображает распределение обычной, в том числе галактик, квазаров и межгалактического водорода.
По словам главного исследователя BOSS David Schlegel из Berkeley Lab, три года назад BOSS для создания крупнейших трехмерных карт Вселенной использовал 14 тысяч квазаров, два года назад — эта цифра увеличилась до 48 тысяч, что позволило впервые обнаружить BAO. Он отмечает, что с более чем 150 000 квазаров учёным удалось создать самые точные методы измерений барионных акустических осцилляций.
«Опечаток» BAO соответствует избытку порядка 5% в кластеризации вещества при разделении, известной как масштаб ВАО. Недавние эксперименты, в том числе BOSS и спутниковые исследования Planck, направленные на поиски космического микроволнового фона, позволили разместить масштаб ВАО, измеренный в нынешней Вселенной, в непосредственной близости к 450 млн световых лет — «стандартная граничная линия» для измерения расширения.
Барионные акустические осцилляции обусловлены волнами давления (звуковыми волнами), перемещающимися через раннюю Вселенную, когда частицы света и материи были неразрывно спутаны; спустя 380 тысяч лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась, что позволило свету «выйти на свободу». Космическое микроволновое излучение хранит в себе информацию о начальных пиках акустической плотности, которые были «семенами» последующих отпечатков ВАО на распределении материи.
Квазары позволили расширить «стандартную граничную линию»
Предыдущая работа BOSS предусматривала использование спектров более чем 1 млн галактик, чтобы измерить масштабы ВАО с точностью в 1%. Но вне красного смещения, равного 0,7 (примерно 6 млрд отдалённых световых лет), галактики становятся более слабыми и их крайне сложно увидеть. Для более высоких красных смещений, подобным тем, что в данном исследовании — в среднем 2,34 — BOSS ввел метод «Lyman-alpha forest» (лес Лайман-альфа), предусматривающий использование спектров от далёких квазаров для вычисления плотности межгалактического водорода.
Когда свет от далёкого квазара проходит через промежуточный водородный газ, участки с большей плотностью поглощают больше света. Линии поглощения нейтрального водорода в спектре (Lyman-alpha lines) позволяют определить красное смещение каждого плотного участка. Таким образом «Lyman-alpha forest» — это своего рода набор из повторяющихся темных линий в спектре квазаров, возникающий в результате поглощения части их света молекулами водорода на пути к Земле. Густота и интенсивность этих линий позволяет определить примерное расположение и плотность облаков газа, через которые свет путешествовал при движении от квазара к нашей планете.
