Baryonové akustické oscilace (BAO) jsou periodické změny hustoty baryonové hmoty vzniklé v raném vesmíru působením akustických vln šířících se v horké plazmě tvořené fotony a baryony před rekombinací.
Před rekombinací byly fotony a baryony silně vázány rozptylem na volných elektronech a chovaly se jako tekutina. Gravitační poruchy hustoty v této plazmě vyvolávaly tlakové vlny, které se šířily směrem od primordiálních poruch hustoty vzniklých v raném vesmíru. Po oddělení záření od látky se další šíření těchto vln zastavilo a jejich charakteristická délková škála zůstala zachována ve struktuře rozložení hmoty ve vesmíru.
V současném vesmíru se baryonové akustické oscilace projevují jako slabé zvýšení pravděpodobnosti výskytu dvojic galaxií oddělených charakteristickou souběžnou vzdáleností přibližně 150 Mpc. Tato škála odpovídá velikosti zvukového horizontu v době oddělení baryonů od záření a slouží jako kosmologické standardní pravítko pro určování expanzní historie vesmíru.
Měření baryonových akustických oscilací patří spolu s pozorováním reliktního záření a supernov typu Ia mezi nejvýznamnější metody observační kosmologie. Umožňují určovat kosmologické parametry, testovat modely temné energie a nezávisle ověřovat model Model Lambda-CDM.
Fyzikální původ
Fotony a baryony v raném vesmíru V prvních stovkách tisíc let po velkém třesku byl vesmír vyplněn horkou ionizovanou plazmou tvořenou převážně fotony, elektrony a baryony. Častý Thomsonův rozptyl udržoval fotony a nabité částice v těsném vzájemném kontaktu, takže se látka a záření chovaly jako tekutina.
V této době již existovaly drobné primordiální poruchy hustoty, které představovaly zárodky pozdější velkorozměrové struktury vesmíru. V oblastech se zvýšenou hustotou působila gravitace proti tlaku záření, což vedlo ke vzniku oscilací.
Akustické vlny v plazmatu Působením gravitačního tlaku a tlaku záření vznikaly v baryon-fotonové tekutině tlakové vlny podobné zvukovým vlnám v běžném prostředí. Tyto poruchy se šířily radiálně od center zvýšené hustoty rychlostí blízkou rychlosti zvuku v tehdejší plazmě.
Během šíření docházelo k periodickému střídání oblastí zhuštění a zředění baryonové hmoty. Současně se v centrech původních poruch nadále hromadila převážně temná hmota, která nebyla svázána s fotony a nepodléhala tlaku záření.
Zamrznutí oscilací po rekombinaci Při rekombinaci, přibližně 380 000 let po velkém třesku, se elektrony spojily s protony za vzniku neutrálních atomů vodíku. Tím prudce poklesla interakce mezi zářením a látkou a fotony se od baryonů oddělily.
Akustické vlny se přestaly šířit a jejich maximální dosažená vzdálenost se zachovala jako charakteristická kosmologická škála známá jako zvukový horizont. Pozdější gravitační vývoj vedl ke vzniku galaxií a kup galaxií, avšak otisk této škály zůstal zachován v prostorovém rozložení hmoty a je pozorovatelný dodnes.
Pozorování
Přehlídky galaxií Baryonové akustické oscilace jsou pozorovány jako slabé zvýšení pravděpodobnosti výskytu dvojic galaxií oddělených charakteristickou vzdáleností odpovídající zvukovému horizontu v době rekombinace. V praxi jsou detekovány statistickou analýzou prostorového rozložení velkého počtu galaxií, zejména pomocí dvoubodové korelační funkce a spektra výkonu hustotních fluktuací.
V korelační funkci se baryonové akustické oscilace projevují jako široký vrchol odpovídající charakteristické souběžné vzdálenosti přibližně 150 Mpc. Ve spektru výkonu se stejný jev projevuje jako soustava slabých periodických oscilací. Protože amplituda tohoto signálu je malá, vyžaduje jeho spolehlivá detekce rozsáhlé přehlídky obsahující statisíce až miliony galaxií.
Projekt BOSS a další přehlídky První přesvědčivé detekce baryonových akustických oscilací byly zveřejněny v roce 2005 na základě dat přehlídek 2dF Galaxy Redshift Survey (2dFGRS) a Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Významným projektem se stala přehlídka Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), která byla součástí programu SDSS-III. Jejím cílem bylo přesně změřit škálu baryonových akustických oscilací v prostorovém rozložení galaxií a kvasarů a využít ji ke studiu rozpínání vesmíru a vlastností temné energie. Přehlídka BOSS zahrnovala přibližně 1,5 milionu galaxií a pokryla oblast asi 10 000 čtverečních stupňů oblohy.
Na výsledky projektu BOSS navázaly další přehlídky, zejména eBOSS a Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), které rozšířily měření baryonových akustických oscilací do větších vzdáleností a dosáhly dosud nejpřesnějších omezení historie rozpínání vesmíru.
Význam v kosmologii
Standardní pravítko Nejvýznamnějším využitím baryonových akustických oscilací je jejich role kosmologického standardního pravítka. Charakteristická škála odpovídající zvukovému horizontu v době oddělení baryonů od záření je určena fyzikálními procesy raného vesmíru a může být vypočtena z kosmologického modelu s vysokou přesností.
Porovnáním skutečné velikosti této škály s její pozorovanou velikostí v různých vzdálenostech lze určovat geometrii vesmíru a rychlost jeho rozpínání. Měření baryonových akustických oscilací umožňují nezávisle stanovovat úhlovou průměrovou vzdálenost a Hubbleův parametr v různých rudých posuvech.
Určování kosmologických parametrů Baryonové akustické oscilace patří mezi nejdůležitější observační nástroje moderní kosmologie. Jejich měření poskytují omezení základních kosmologických parametrů, jako jsou hustota hmoty, rychlost rozpínání vesmíru nebo vlastnosti temné energie.
Protože fyzikální původ baryonových akustických oscilací je dobře znám a jejich pozorovaný signál je jen málo ovlivněn složitými procesy vzniku galaxií, jsou považovány za jednu z nejrobustnějších metod testování kosmologických modelů.
Vztah k reliktnímu záření Baryonové akustické oscilace a anizotropie reliktního záření mají společný fyzikální původ v akustických oscilacích baryon-fotonové plazmy před rekombinací.
V reliktním záření se tyto oscilace projevují jako soustava vrcholů v úhlovém spektru výkonu, zatímco v pozdějším rozložení galaxií zanechávají charakteristickou prostorovou škálu.
Společná analýza reliktního záření a baryonových akustických oscilací poskytuje jeden z nejpřesnějších testů modelu ΛCDM a umožňuje zpřesňovat odhady kosmologických parametrů v širokém rozsahu kosmologických epoch.
Odkazy
Reference
Související články Velký třesk Reliktní záření
Kategorie:Astrofyzika Kategorie:Kosmologie