记录大爆炸

记录大爆炸
Alan M. MacRobert 著译：Shea

[图片说明]：在这张覆盖全天的微波背景辐射照片中，我们可以发现上千个大小不一的温度涨落区。这张全天的微波背景辐射照片是WMAP任务第一年的观测成果。现在我们观测到了宇宙大爆炸38万年之后出现的涨落，正是这些涨落演化成了今天的星系团。感谢NASA/WMAP科学小组提供照片。

　　在这个下午之后，我们将更清楚的知道宇宙的过去，“宇宙诞生于什么时候？”，“在极早期宇宙是如何演化的？”，“宇宙是如何演化到现在的？”，以及“宇宙中到底包含些什么？”，这些问题都将得到回答。

　　在华盛顿特区NASA的新闻发布会上，科学家公布了威尔金森微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）的第一批、也是预料之中的观测结果。新闻发布会上最大的新闻就是没有新闻，对于天文学家来说，这是一个好消息。WMAP的观测证实了近年来许多天文学家小组使用气球以及地面上的设备所进行的观测研究。

　　WMAP于2001年发射，被安放在拉格朗日2点附近，距离地球150万千米，以避免地球的热量以及噪音对它的干扰。在那里WMAP测量了全天的微波背景辐射。在大爆炸之后的38万年，白热的早期宇宙充满了白色的光，这就是当时的背景辐射。在这之后，这些辐射红移了1100倍，进入了微波波段。

[图片说明]：威尔金森微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）高3.8米，有两个微波天线和接受器，可以精确比较天空中相距20角分的两点之间的温度差异。这个探测器的原名叫微波背景辐射各向异性探测器（MAP），但是为了纪念去年9月份去世的、普林斯顿大学的宇宙学家大卫·威尔金森（David T. Wilkinson），NASA将其重新命名为威尔金森微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）。感谢NASA/WMAP科学小组提供照片。

　　全天的微波背景辐射是非常均匀的——但并不是“绝对”均匀。11年前发现，微波背景辐射充满了涨落，两点之间的温度差异不超过十万分之几。宇宙最早期的振荡和湍动造成了这些温度的涨落。这些涨落的大小以及它们的强度可以告诉我们宇宙早期的大小、宇宙的年龄、宇宙的形状以及宇宙中物质的成分。

　　最初天文学家认为这些微波背景辐射的涨落（各向异性）只有在太空中才能被观测到，因此NASA制定了WMAP计划。但是，与此同时，许多天文学家小组竞相使用位于山顶、南极高原以及大气层之上的设备来测量这些各向异性。这些观测仅仅只能覆盖很小的一片天区，而WMAP能对整个天区进行巡天。而且许多的观测缺乏WMAP的灵敏度和分辨率，无法去处背景信号的干扰，例如来自银河系背景信号。但是，这几年来探测技术的突飞猛进，以及在这个领域所进行的大规模的观测，使得地基的观测在观测结论上胜过了MAP。曾经天文学家期望WMAP的结果是具有革命性意义的，但是现在它的结果主要是用来确认验证先前的观测。

WMAP的观测成果：

·宇宙空间是“平直”，就像我们所熟悉的空间几何一样。这意味着无论你如何的延伸两条平行线，它们永远也不会相交。同时，平直空间也意味着宇宙暴涨的理论的正确性。而且这也预示我们所熟知星系和星系团可以无限延伸到我们的视界之外。

·宇宙中包含4.4±0.4%的普通重子物质（即由原子组成普通的物质），23±4%是非重子形态的暗物质（物理学家可能还不知道的基本粒子），以及73±4%的暗能量（有关暗能量至今我们可以说是一无所知）。这些结果确认了先前通过不同的观测手段所获得结果，而且更加的精确。

[图片说明]：宇宙的组成。普通的“重子”物质——由原子组成的物质，其中含有质子和中子（重子），占宇宙所有质能的4.4%。其他的95.6%可以说仍是个谜。感谢NASA/WMAP科学小组提供图片。

·神秘的暗物质是“冷暗物质”。热或者温暗物质——高速运动的粒子——的假说被排除。特别的，中微子对宇宙质量和能量的贡献不会超过0.76%，这也意味着中微子的质量不会超过0.23电子伏——对粒子物理学的又一新的限制。

·宇宙的年龄为137±2亿年。这是迄今所得到的最好的宇宙年龄值——误差小于2%。这一结果也和最近使用不同的方法所得到的结果相一致。

·度量现在宇宙膨胀速度的哈勃常数为71±4千米/秒/百万秒差距。这和最近的哈勃空间望远镜核心计划所取得结果吻合的非常好，哈勃空间望远镜核心计划旨在测量临近星系中的造父变星来确定哈勃常数。从20世纪20年代起，哈勃常数成为了宇宙学的圣杯，而且长时间以来无法被精确的测量。

·第一代恒星形成于宇宙诞生之后1-4亿年（红移值为30-11），比天文学家先前预料的要早。WMAP通过测量微波背景辐射中的偏振模式得出了这个结论。同时这也确定了“再电离时代”的时间，那时第一道星光使得在宇宙“黑暗时代”冷却下来的中性氢再次被电离。

·WAMP第一次使得我们可以区别暴涨模型的不同版本。暴涨模型认为宇宙最大尺度的结构起源自宇宙极早期时的微观量子涨落。“这是我们得到的最简单暴涨模型，”在新闻发布会上普林斯顿大学的大卫·斯伯乔尔（David Spergel）说。这一版本的暴涨模型预言这些涨落出现在极为靠近时间零点的时刻。显然这些涨落也许能向我们提供暴涨是如何开始的信息。

　　“每一个天文学家都会记住他们第一次听到WMAP结果的时间和地点，”新闻发布会上高级研究所的约翰·白考（John Bahcall）说。现今我们推崇的宇宙模型得到了“WMAP观测的完美证明”。

　　今天公布的数据仅仅是WMAP为期4年的观测任务中所获数据的一小部分，而且只是第一年的观测数据。随着时间的推移以及观测继续，我们对于宇宙早期的认识必将有更大的进展。

　　与此同时，宇宙学家已经开始了下一步的重要工作：欧洲空间局的普朗克（PLANCK）计划。它将拥有更高的分辨率和灵敏度，而且会观测另一类重要的信号：微波背景辐射的精细偏振模式。PLANCK将帮助宇宙学家搞清楚暴涨的机制，甚至帮助我们一窥宇宙大爆炸开始前的情形。PLANCK将于2007年早些时候发射。

译自 Sky & Telescope 2003.02.11