看“普朗克”如何重新定义我们的宇宙
Liz Kruesi　文　Shea　编译
	它勘测了宇宙中的物质，精化了宇宙的组成和年龄，还发现了数千个射电源。 普朗克探测器——凝聚着近20年来数百名科学家和工程师的心血——为天文学家们提供了迄今最好的宇宙婴儿时期的影像。从2009年起它便一直在微波波段上勘测宇宙，收集有关我们银河系、河外星系以及宇宙微波背景——宇宙大爆炸的遗迹辐射——的数据。毫无疑问，“普朗克”并不是首个研究宇宙微波背景的探测器，但它却给出了到目前为止最精细的观测结果。 “普朗克”的首批结果再一次地佐证了天文学家们关于宇宙的主流理论。它还细化了很多宇宙学参数，包括宇宙的年龄、宇宙的膨胀速率和宇宙的组成等。和这些广为流传的结果同样重要的还有那些潜藏在“普朗克”数据中需要科学家们提取的其他信息。漫天的微波辐射还能告诉我们宇宙中的物质随时间的分布情况、巨大超星系团背后的秘密以及数千个之前不为人知的天体。 作为欧洲航天局的主力探测器，“普朗克”为我们揭示出了一个前所未见的微波宇宙。 [图片说明]：“普朗克”测得的全天宇宙微波背景辐射图。版权：ESA。 发射升空 2009年5月14日“普朗克”从法属圭亚那航天中心发射。它在围绕日地系统第二拉格朗日点的“李萨如”轨道上开展观测。第二拉格朗日点是太阳与地球引力互相平衡的5个点之一，这使得“普朗克”仅需要少量的推进剂就能保持稳定的轨道。该点距离地球约150万千米，位于日地连线上最远离太阳的一侧。“普朗克”的太阳能电池板会遮挡能令其致盲的来自太阳、地球以及月球的光和热。 在经过了数周的冷却和校准之后，“普朗克”于2009年8月12日开始了科学观测。通过搭载的高频仪和低频仪来收集数据，它在6个月的时间里会对整个天空进行一次扫描。2012年1月13日，配合氦-4一起把“普朗克”的高频以冷却到0.1开的氦-3耗尽；而低频仪则工作到了2013年9月。2013年3月“普朗克”公布了其15.5个月的观测结果，期间它扫视了全天2.5遍。 获得信号 “普朗克”收集了宇宙微波背景辐射中的信息，但它同时也观测到了频率在27～1,000兆赫之间其他更强的辐射。为了分离出微弱的宇宙微波背景，科学家们必须在仪器的9个通道中剔除掉7种他们不感兴趣的信号。 他们所采用的一个办法其实就是利用“普朗克”在这9个频段上的观测结果来更好地确定所看到的东西。使用低频观测设备来勘测银河系中的干扰，然后在观测宇宙微波背景的高频测量结果中将其扣除。在频率最高的波段上，银河系内外尘埃的影响非常强。于是，可以在最高的频段上测量尘埃，然后在中间频段上将其扣除。 得益于20世纪90年代美国宇航局宇宙背景探测器的测量，现在已经知道宇宙微波背景的能谱是什么样子的。当时，科学家们比较了同一片天空在不同滤光片下的样子。具体来说，在不同滤光片下测量天体所对应的辐射强度变化。大多数需要处理的前景都有着和宇宙微波背景不同的频谱，因此通过在很宽的频率范围上进行观测就能更好地了解前景天体的特性。 例如，太空​​中的高能粒子被称为宇宙线，它们会沿着银河系的磁场螺旋运动。当它们改变运动方向时，会在“普朗克”最低的频段上发出很强的信号。因为已经能分离出这些信号，科学家们编制了几份有关这些前景源的清单，其中一份包含24,119个致密的源。由此“普朗克”给予了天文学家们一个可以进一步发掘的宝藏。 宇宙的起源 当然，“普朗克”的主要目的是精确地测量宇宙微波背景。之前的观测证据——尤其是对宇宙微波背景的测量——已经佐证了大爆炸理论。该理论认为宇宙起源于138亿年前一个高温高密的状态。紧接着，宇宙便经历了一个急剧膨胀期，被称为暴胀。目前还没有直接观测到这一宇宙时期，但其他观测证据支持了暴胀理论。 在此之后，宇宙不断以更低的速率膨胀并因此冷却。大爆炸后几分钟，夸克结合形成质子和中子。这些粒子会与周围的电子和辐射（即光子）纠缠在一起。在几千年的时间里，辐射一直会与其他粒子发生相互碰撞。 [图片说明]：“普朗克”在不同波段对全天的扫描结果。版权：ESA。 之后，当宇宙膨胀并冷却到3,000开时，电子和质子结合形成了中性氢原子。这样一来可以与光子发生碰撞的粒子大为减少，辐射便可以自由地穿行。这一“最后散射”发生在大爆炸之后约37万年。从那以后，光子便穿行于宇宙之中。现在宇宙的膨胀已经把这些辐射的波长从红外拉伸或者红移到了微波波段。 这些辐射可以告诉我们宇宙在最后散射时看起来是什么样子的。物质密度稍高的区域看上去温度会更高一些。在“普朗克”所得到的宇宙微波背景图中，越红（温度越高）的区域最终会吸引越多的物质，进而形成了今天的超星系团。但这幅图所能揭示出的信息不止于此。 宇宙特性 “普朗克”的科学家利用来自它在9个波段上所收集的数据确定了宇宙的一系列参数，例如宇宙的年龄，宇宙中普通物质、暗物质以及暗能量的含量。普通物质或称重子物质，是构成恒星和你我的物质形式；暗物质则是宇宙中不可见的神秘成分；而暗能量则驱动着宇宙的加速膨胀。宇宙微波背景图看上去就像是满天散落着大大小小不同尺寸的斑点，但天文学家们可以把它们转化成宇宙的组成。可以用特定大小的“格子”来对它进行划分，宽2°的、1°的、0.5°的等等。然后就能得到温度是如何随着格子大小的变化而改变的，这称为角功率谱。 [图片说明]：“普朗克”的观测结果将帮助天文学家们深入了解宇宙的演化历史。版权：ESA。 “普朗克”科学家们会使用6个参数——例如，重子物质的密度以及光子数与电子数之比等——来建立宇宙的模型，把它们和由观测数据得出的角功率谱进行比较，寻找最佳的匹配结果。通过这6个参数，天文学家们可以计算出宇宙的许多特性，包括它膨胀的速度、年龄以及成分。宇宙微波背景是迄今宇宙整体及其组成最重要的信息来源。在认识宇宙的过程中，它的贡献要超过其他任何东西。 科学家们可以精确地建立早期宇宙的模型，因为他们了解发生最后散射时宇宙中的物理学。宇宙当时是粒子和辐射的高温混合体，没有星系或恒星。它刚刚形成了氢、氦、氘、氚以及少量的锂，但没有其他元素。以地球上的密度作为标准，当时的密度极低。物质的行为是已知的，具有电磁和引力相互作用。暗物质则有弱核力相互作用。 使用上一代的宇宙微波背景探测器——威尔金森微波各向异性探测器，科学家们利用其9年的观测数据发现，宇宙的年龄为137.7亿年，宇宙的4.6％为普通物质、23.6％为暗物质以及71.8％的暗能量。使用“普朗克”新的分布图和功率谱，科学家们精化了这些结果：宇宙的年龄为138.2亿年，宇宙的4.9％为重子物质、26.8％为暗物质，而占据剩余68.3％的则是暗能量。 扫描更大的结构 分析这些遗存的辐射可以为科学家们提供宇宙的其他信息——尤其是位于宇宙微波背景光子传播路径上的物质。宇宙中绝大多数的重子物质并非以恒星的形式出现，而是位于星系团中温度高达几千万度的气体。宇宙微波背景中的一小部分光子会穿过这些气体，被其中的电子散射，进而它们的能量会发生变化。 这会改变“普朗克”所接收到的信号，这一现象被称为苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应，简称SZ效应。在宇宙微波背景图中，星系团看上去要么会比正常情况温度稍高一点，要么会稍低一点。 利用“普朗克”的数据，科学家编纂了一份包含有1,227个星系团的星表。在这其中有大约一半是已知的，但“普朗克”确认178个额外的星系团并发现了366个候选星系团。然而，在分析星系团的过程中，天文学家们发现自己也许并不完全了解星系团背后的物理机制。他们所看到的星系团数量与我们所预期的并不完全相符。如果你相信X射线天文学家是正确的，那由于SZ效应你会在微波背景中看到更多的信号。 从宇宙微波背景中提取的另一个发现则与理论模型符合得更好。利用宇宙微波背景辐射作为光源，其光子在穿行于几十亿光年的空间时，任何物质的引力都会使得它的路径发生非常轻微的弯曲。通过分析宇宙微波背景数据中的这一“引力透镜”效应，“普朗克”团队制作了一幅从最后散射面到现在的宇宙物质分布图。 虽然这幅分布图的分辨率并不高——“普朗克”不具备这一能力，但在大尺度上它测得了所有的质量。有些人认为这比宇宙微波背景本身更加有趣。这一物质分布图与重子物质、暗物质和暗能量的百分比相吻合。事实上，没有暗能量的宇宙会随着时间形成更大的星系团，在微波背景中留下更强的透镜信号。“普朗克”的这些新数据为暗能量的存在以及它的含量添加了额外的佐证。 有了“普朗克”，宇宙微波背景透镜信号正在从理论认知转变成有用的宇宙学研究工具。也许很快我们就会看到它在研究星系形成和大尺度结构上的许多其他通途。 [图片说明]：宇宙微波辐射光子在传播过程时，任何物质的引力都会使得它的路径发生非常轻微的弯曲。版权：ESA。 一些古怪 宇宙微波背景辐射图也显示出了一些异常。科学家们通常会把宇宙描述成各向同性的，这意味着从任何一个视角看去宇宙都是相同的，因此不存在优越的位置或者方向。但宇宙微波背景中的一些微小异常却对此提出了疑问：在最大的一些角尺度上的信号似乎比预期的要弱，两个半球的平均温度也似乎稍有不同，在全天分布图中存在一个较大的低温斑。 威尔金森微波各向异性探测器之前已经发现了后两种异常现象的迹象，但“普朗克”向怀疑者们证明这些现象是真实的，并非是数据中存在的小问题。这些问题虽不足以威胁到宇宙演化的主流模型，但它却实实在在地表明天文学家们对早期宇宙的认识也许并不完整，现有的理论模型可能需要做精细的调整来解释这些现象。 去往宇宙的开始 虽然任务设计者的目标是“普朗克”能以比之前更高的精度来测量宇宙微波背景中温度的涨落，但它还探测到了来自银河系和宇宙背景中微波信号的偏振。偏振现象在日常生活中很常见：从湖面反射出的阳光会更多地朝向某个特定的方向，到偏光太阳镜可以阻挡沿着特定方向射来的眩光。这都是因为光具有波动性所致。 天文学家认为，宇宙微波辐射有两种不同类型的偏振模式：由宇宙微波背景光子与电子发生碰撞和散射所产生的E模和由宇宙最初时刻所产生引力波导致的B模。之前已经发现了E模偏振，但B模所对应的信号要微弱得多。 [图片说明]：相比于美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器，“普朗克”有着更高的分辨率。版权：ESA。 根据大爆炸理论，在紧接其后的暴胀阶段，量子涨落会随之膨胀。这些密度变化最终形成了我们今天所看到的星系和星系团结构。随着宇宙的膨胀，这些涨落也在膨胀，进而在时空中搅起了涟漪——引力波。暴胀之后，引力波会在物质中留下印记。 宇宙学家们正在寻找这些涟漪存在的证据，它们会显现为宇宙微波背景中高温和低温斑点周围特有的模式，被称为B模信号。通过暴胀之外的其他方式很难产生B模偏振。 虽然预期会非常微弱，但这就是科学家们要寻找的。虽然并不确定是否能够找到这个特定的信号，氮如果这个超高速膨胀阶段确实存在，那么发现B模偏振信号将会帮助天文学家们确定在暴胀期间到底发生了些什么。“普朗克”的科学家们希望能在下一次发布数据时梳理出这一信号。 寻找B模型信号是宇宙微波背景研究中的下一件大事，因为它绝对是证明暴胀存在的确凿证据，是这个领域的圣杯。“普朗克”是否能探测到它目前仍无从知晓，但天文学家们肯定会去奋力寻找。
[Astronomy 2013年10月]

2001-2013 火流星工作组制作


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