星系和宇宙学方面的一些进展

               星系和宇宙学方面的一些进展

                                                              施郁

星系旋臂

70%的星系是漩涡星系，包括银河系。根据林家翘和许靖华的密度波理论，漩涡结构只能出现于稳定的旋转盘，不能出现于年轻的星系。以前，人们在113亿年前的星系中发现旋臂，也就是宇宙大爆炸后约25亿年后。

2021年，日本国立天文台的Tsukui和Iguchi 根据智利LAMA射电望远镜的数据，提出在大爆炸14亿年后，某个星系已经出现旋臂[62,63]。

LAMA telescope丨图源网络

脉冲星计时阵列带来的宇宙学信息

来自毫秒脉冲星的射频脉冲到达地球的时间有涨落。如果这个涨落是由引力波导致的空间距离改变引起的，那么不同脉冲星的时间涨落就有关联。脉冲星计时阵列的目的就是监测这些涨落，从而探测很低频率的引力波（1-100纳赫兹）。理论上，这些引力波可能来自超大质量黑洞、宇宙弦、早期宇宙相变，乃至被宇宙暴涨放大的极早期引力场的量子涨落。

2020年12月，北美的NANOGrav合作组公布了45个脉冲星在12.5年内的观测数据。当时，在将信号解释为引力波的基础上，有人将信号解释为引力波，推测是源于宇宙弦或原初黑洞。

最近，NANOGrav合作组自己将之归因于宇宙早期低能量（10MeV）的相变引起的引力波。这个相变基于超越标准模型的粒子物理理论[54,55]。澳大利亚的PPTA合作组也探测到一个类似的信号，但认为是噪声[56]。

BICEP/Keck与暴涨模型

现代宇宙学认为，随着宇宙膨胀，充斥早期宇宙的电磁波成为今天的宇宙微波背景辐射，而宇宙大尺度结构则来自早期的密度涨落。这些密度涨落引起原初的引力波。

1980年代，为了解决标准宇宙学困难而提出的暴涨模型认为，在大爆炸之后的极短时间内，宇宙发生了急剧的指数级膨胀。宇宙暴涨使得原初引力波在宇宙微波背景辐射中产生B模。B模是电场偏振的一种行为，意思是，不同方向的电场之间的关系类似磁场（常用符号是B）的行为。然而宇宙中的尘埃也能引起这个后果。

位于南极的BICEP（宇宙银河系外泛星系偏振背景成像）项目的目的就是测量宇宙微波背景辐射的偏振，寻找B模。2014年，BICEP曾发表B模结果，认为由原初引力波引起，但是后来澄清来自银河系的尘埃。

现在BICEP的3个仪器加上附近的Keck阵列共同工作，形成BICEP/Keck。最近他们通过对尘埃因素的排除，给出对于引力波贡献的限制。关键的量是所谓张量-标量比r，代表引力波与密度波的振幅比。最近他们宣布，r小于0.036，刷新了以前普朗克卫星的0.11，BICEP的0.09和0.07[57,58]。

暴涨模型有很多版本。BICEP/Keck的结果排除了某些版本。不过大多数版本的暴涨模型预言r大于万分之一。BICEP/Keck以及其他几个类似实验有望达到测量更小r值的所需精度，而且日本2028年将发射一个卫星LiteBIRD，用于这个目的。在高精度下的B模结果，无论阴性还是阳性，都会引起宇宙学理论较大的改变。

早期暗能量

前几年，超新星的数据表明，宇宙膨胀要比之前的认知快5-10%。因此有人提出“早期暗能量”，存在于大爆炸后的前30万年。

阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）合作组和另一个组分别分析了位于智利的ACT的2013-2016年数据，认为找到了“早期暗能量”的迹象。如果正确，宇宙年龄要由138亿年改为124亿年[59-61]。

但这只是初步结果，有待ACT和南极望远镜的进一步检验。这两个望远镜用于测量宇宙微波背景辐射(CMB)的涨落。之前，CMB的最精确数据来自欧空局2009至2013年工作的普朗克卫星。

天文观测给暗物质的新限制

2013年开始，“暗能量巡天”合作组基于智利的Blanco望远镜，绘制所有的星系图，以提供宇宙中物质分布的信息，确定宇宙中可见物质和暗物质的分布。2019年完成了6年观测。最近他们用一个理论模型，分析了其中第一年的观测数据，描写了几种测量的关系：星系分布，形成星系团的星系的分布，以及遥远星系的光被地球附近物质所扭曲的情况。他们给出了对于可见物质和暗物质的密度及其涨落的新限制，将取值范围压缩了20% [71,72]。

反星

如果宇宙中存在反物质构成的反星，那么就会有物质-反物质湮灭成伽马射线的事件。

法国图卢兹大学的Dupourque等人对5787个伽马射线源做了甄别，提出一个上限：每百万个恒星中至多有2.5个反星[68,69]。

参考文献

[54] Z. Arzoumanian et al. (NANOGrav Collaboration), “Searching for gravitational waves from cosmological phase transitions with the NANOGrav 12.5-year dataset,” Phys. Rev. Lett. 127, 251302 (2021). 

[55] Michael Schirber, Pulsars Probe Early Universe, December 15, 2021, Physics 14, s160. 

[56] X. Xue et al. (The PPTA Collaboration), “Constraining cosmological phase transitions with the Parkes pulsar timing array,” Phys. Rev. Lett. 127, 251303 (2021). 

[57] P. A. R. Ade et al. (BICEP/Keck Collaboration), “Improved constraints on primordial gravitational waves using Planck, WMAP, and BICEP/Keck observations through the 2018 observing season,” Phys. Rev. Lett. 127, 151301 (2021).

[58] Daniel Meerburg， Squeezing down the Theory Space for Cosmic Inflation, October 4, 2021 | Physics 14, 135

[59] Hill, J. C. et al., The Atacama Cosmology Telescope: Constraints on Pre-Recombination Early Dark Energy, ））https://arxiv.org/abs/2109.04451 

[60] Poulin, V., Smith, T.L. & Bartlett, A., Dark energy at early times and ACT data: A larger Hubble constant without late-time priors, Phys. Rev. D 104, 123550 

(2021). 

[61] Davide Castelvecchi,NEW DARK ENERGY COULD SOLVE UNIVERSE EXPANSION MYSTERY, Nature 597, 460 (2021). 

[68] .S. Dupourqué et al., “Constraints on the antistar fraction in the

Solar System neighborhood from the 10-year Fermi Large Area Telescope gamma-ray source catalog,” Phys. Rev. D 103, 083016 (2021).

[69] Rachel Berkowitz, Counting All the Antistars in the Sky April 20, 2021 | Physics 14, s50 

[64] R. deBoer et al., “19F(p, g)20Ne and 19F(p, ag)16O reaction rates and their effect on calcium production in Population III stars from hot CNO breakout,” Phys. Rev. C 103, 055815 (2021)

[65] Michael Schirber, Uncertainty over First Stars, May 26, 2021 | Physics 14, s66

[66] L. Y. Zhang et al., “Direct measurement of the astrophysical 19F(p, ag)16O reaction in the deepest operational underground laboratory,” Phys. Rev. Lett. 127, 152702 (2021). 

[67] Christopher Crockett, Pinning Down the Fate of Fluorine The first results from the Jinping Underground Nuclear Astrophysics particle accelerator refine a key reaction rate for the destruction of fluorine in stars. October 7, 2021 | Physics 14, s124 

[71] C. To et al. (DES Collaboration) ,“Dark Energy Survey year 1 results: Cosmological constraints from cluster abundances, weak lensing, and galaxy correlations,” Phys. Rev. Lett. 126, 141301 (2021).

[72] Sophia Chen, A New View of the Universe’s Dark Side, April 6, 2021, Physics 14, s44.