作者：陈艳玲、徐文硕
清华大学天文系
种子声学振荡概念图，这种宇宙诞生早期的印记为今天人们研究宇宙演化留下了线索。（SébastienFromenteau）
一、重子声学振荡
什么是重子声学振荡
说到宇宙“管风琴”，我们要从宇宙早期的“暴胀”时代说起，有多早呢？暴胀宇宙理论告诉我们，宇宙的年龄为10-36～-32秒时，空间以指数形式快速膨胀，这一过程中宇宙的大小被翻倍了约60次（不要小看指数膨胀的力量，如果可以将一张普通的纸对折45次，其厚度就可以到达月球）。这将宇宙由7.7×10-30米拉伸到8.8×10-4米（约是一粒沙子大小，是今天可观测宇宙的10-30倍），并使得我们的宇宙变得均匀和各向同性，这一时期被形象化地称为“暴胀”。这期间，真空中量子涨落时时刻刻发生——各种能量在真空中迅速诞生又被消灭。宇宙暴胀将这些瞬间长起来的能量由微观尺度迅速拉大到宇观尺度。这些因暴胀而被拉伸锁住的微观涨落的强度尽管微弱，但是它们埋下了宇宙“原初密度涨落”的种子。
在标准宇宙学模型中，物质组分主要分为重子物质和暗物质两种。重子物质包含了我们熟知的质子和中子等基本粒子（需要注意的是，不同于粒子物理学的标准划分，天体物理学家习惯把电子同样归结为广泛的“重子”范畴，以区分暗物质粒子）。但重子物质只占今天宇宙中物质组分的很小一部分（15.5%），而主导今天宇宙物质组分的是暗物质（84.5%）。暗物质与重子物质不同，它们只参与引力相互作用。在引力作用下，宇宙原初密度涨落的种子逐渐发芽和生长，在空间中形成由暗物质主导的大小不一的“引力势阱”——引力势阱内的物质就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来，所以称为势阱。这些引力势阱正是宇宙后期星系在暗物质结构骨架下的发源地。在暴胀宇宙理论下，各种尺度的密度涨落出现的概率是相同的。
暴胀结束后，真空的暴胀能量转化给物质和辐射，宇宙被加热到大爆炸宇宙理论所描述的宇宙起始时期物质的高温高压高密度的热学状态。当时的宇宙首先处于极高温的“辐射主导”时期——宇宙的能量由光子辐射的形式主导。随着宇宙的膨胀，温度慢慢降低，质子和电子从强和弱相互作用中依次被“解放”出来——物理学家管这个过程叫做“退耦”。宇宙年龄为-年左右时，物质“取代”了光子辐射，慢慢开始主导宇宙的能量。
这时，光子和重子气体紧密地耦合在一起，它们以等离子体气体的形式存在。由于宇宙中的暗物质组分质量远大于重子，与光子耦合的重子气体会因为引力作用，而被拉进暗物质构成的“原初密度涨落”的引力势阱中。这一坍缩过程使光子-重子气迅速升温，光子具有的辐射压力迅速增加，它将在势阱的最深处阻止重子坍缩并使其向外膨胀。在膨胀的过程中，光压逐渐减小，引力再次占主导地位，从而再次使光子-重子等离子体向内部坍缩……如此循环往复，于是光子-重子气体就由于引力和压力的共同作用，以声波的形式在暗物质构成的势阱内外不断振荡开来，其声速约为2/3的光速大小（此处的声速并不是指日常生活中的声速，而是沿用了声速的“介质中微弱压强扰动的传播速度”这一广义定义），这种现象就叫做重子声学振荡(BaryonicAcousticOscillation,BAO)。
图1重子声学振荡示意图（芝加哥大学天文系教WayneHu,
