物理与天文学院张同杰教授宇宙学与地外智慧生命搜寻团队在宇宙膨胀加速度射电测量研究上取得重要进展

近日，北京师范大物理与天文学院张同杰教授宇宙学与地外智慧生命搜寻团队在国际权威期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）发表题为《Redshift Drift Effect through the Observation of the H I 21 cm Signal with SKA》的研究成果。该研究基于平方公里阵列射电望远镜(SKA)的高精度谱线分辨率, 通过中性氢(Neutral Hydrogen,HI) 21cm(厘米)信号直接测量宇宙膨胀加速度，为暗能量研究开辟了新思路。

红移漂移效应，又称Sandage–Loeb (SL) effect，是宇宙时空膨胀的直接观测证据，被国际宇宙学界命名为宇宙膨胀的“秒表”。简单来说，随着时间推移，遥远天体的光谱会因宇宙膨胀而出现微小偏移，这种偏移可转化为“速度漂移”信号。传统方法依赖光学波段观测，但受地球大气干扰限制，这对于研究晚期宇宙加速膨胀的物理事实的形成挑战。研究团队创新性地利用射电波段的中性氢21cm信号，结合即将建成投入使用的SKA望远镜的超高灵敏度和强大的巡天能力，利用其谱线分辨率0.001Hz和0.002Hz (赫兹)级别的测量精度，成功将红移漂移测量精度提升至毫米每秒每年(mm/s/年)的水平，为实时监测宇宙膨胀加速度提供了全新视角，也为未来观测宇宙学的提供高精度支持。

图1.不同宇宙模型和红移下无量纲红移漂移的变化。

氢元素(Hydrogen)是宇宙中含量最丰富的元素。氢原子在天文界通常被称为中性氢(HI)，在不同的宇宙环境中广泛存在，比如星际介质和星系际介质。其一些物理条件下可以发射或者吸收21cm电磁波。比如宇宙中阻尼的莱曼ɑ吸收体(Damped Lyman-alpha Absorber, DLA)就是21cm 吸收线的最佳的候选观测目标。

暗能量被认为是驱动目前宇宙加速膨胀的神秘力量，但其本质仍是未解之谜。研究团队通过探测红移漂移信号，不仅验证了宇宙当前处于加速膨胀阶段，还为暗能量模型的参数空间提供了更严格的观测限制。结合其他宇宙学观测数据，高精度限制排除宇宙学候选模型、打破一些宇宙学参数间的简并、解决一些观测与理论分歧问题。本研究表明，SKA将成为探索暗能量和宇宙演化的“游戏规则改变者”。未来结合更多数据，有望进一步揭示暗能量的物理本质， 该信号是破解暗能量的之谜的关键手段。下一步，研究团队计划将观测范围扩展至更高红移，并联合光学望远镜数据，构建多波段宇宙膨胀“监测网”，为揭开暗能量之谜提供更全面的观测证据。

图2. SKA观测21厘米吸收线获得的红移漂移和速度漂移测量。

图3. 红移漂移测量对不同宇宙模型下宇宙学参数限制。

SKA是当前全球在建的最大射电望远镜阵列，其强大的探测能力可捕捉数十亿个星系的中性氢信号。张同杰教授研究团队通过分析SKA在以0.5年为观测周期的高分辨率数据，发现在红移范围小于1的范围内(z~1)，宇宙膨胀加速度对应的速度漂移率为0.05-0.15 cm/秒/年，精度较传统方法提升至少一个数量级。

此次研究是2014年张同杰教授宇宙学团队基于红移漂移效应首次提出的宇宙加速膨胀的射电直接测量方法在SKA望远镜上的“实弹演习模拟研究”。传统方法是通过距离观测并且基于宇宙学哥白尼原理和爱因斯坦方程来测量宇宙加速膨胀, 是一种间接方法。新提出的方法是一种与宇宙学模型无关的直接测量方法。该研究工作于2014 年7 月25 日在国际著名物理杂志《Physical Review Letters》上发表(论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.041303) 。该研究曾被PRL主编推荐为亮点(Highlights) 文章，并在美国物理学会网站做为封面(cover)文章进行了专题介绍(Synopsis)。此次研究是上述开创性研究在平方公里阵列射电望远镜(SKA)的预研究，结果充分展示了SKA望远镜在该研究方向上强大的能力，我们有望使用2029年建成投入使用的SKA望远镜率先测量出宇宙在过往历史不同膨胀时期的加速度或者减速度，为揭开暗能量之谜提供更全面的射电观测证据。

图4 . SKA碟型天线阵列，将建成于南非台址，来源／SKAO。

北师大物理与天文学院博士后康建刚是论文第一作者，合作导师张同杰教授为论文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划“平方公里阵列射电望远镜(SKA)”专项（2022SKA0110202）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/adae89