對原始宇宙的新觀察證實了大爆炸後的突然“暴脹”

普朗克空間望遠鏡拍攝的宇宙微波背景圖為宇宙誕生後的最初瞬間提供了新的視角,並表明宇宙的年齡比之前認為的要大 8000 萬年左右

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普朗克空間望遠鏡提供了迄今為止最詳細的宇宙微波背景圖,這是大爆炸的殘餘輝光。

科學家們公佈了來自耗資 6 億歐元的歐洲航天局(ESA)探測器的結果,他們表示,這些結果為我們宇宙誕生的最初瞬間提供了新的視角。他們還將宇宙的年齡定為 138.1 億年——比之前估計的略長。

英國劍橋大學卡弗裡宇宙學研究所所長、普朗克首席研究員之一喬治·埃夫斯塔修表示:“對於宇宙學家來說,這張地圖是資訊的金礦。”


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普朗克的結果有力地支援了一種觀點,即在大爆炸後約 10-32 秒內,宇宙以驚人的速度膨脹——這個過程被稱為暴脹。

暴脹可以解釋為什麼宇宙如此之大,以及為什麼我們無法探測到空間結構中的任何曲率(除了黑洞等巨大物體造成的微小凹陷)。原始宇宙的突然膨脹還將量子漲落放大成物質團塊,這些團塊後來成為第一批恆星的種子,並最終形成了跨越數億光年的零星超星系團。

普朗克研究的宇宙微波背景(CMB)輻射可以追溯到大爆炸後約 38 萬年,當時宇宙已經冷卻到幾千度,中性的氫原子和氦原子開始從沸騰的帶電等離子體中形成。這使得光子能夠暢通無阻地穿過空間,形成一種帶有暴脹回聲的模式。這些光子今天仍然存在,以 2.7 K 的微弱微波輝光的形式存在。

自從 1965 年首次探測到 CMB 以來,宇宙背景探測器(COBE)和威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)已經以越來越高的精度繪製了 CMB 中微小的溫度變化圖。這使得宇宙學家能夠計算出大爆炸發生的時間,估計宇宙中看不見的暗物質的數量,並測量加速宇宙膨脹的“暗能量”。

普朗克於 2009 年發射,其靈敏度是其前身 WMAP 的三倍以上。其高頻微波探測器被冷卻到僅比絕對零度高 0.1 度。這使其能夠探測到 CMB 溫度低至百萬分之一度的變化。

這些精確的測量表明,宇宙的膨脹速度略低於 WMAP 的估計。這個速度,被稱為哈勃常數,為每兆秒差距 67.3 公里每秒,這表明宇宙的年齡比 WMAP 計算的要大 8000 萬年左右。

這也意味著暗能量佔宇宙能量密度的 68.3%,比例略小於 WMAP 的估計。暗物質的貢獻從 22.7% 增加到 26.8%,而普通物質的貢獻不到 5%。

普朗克還證實了 WMAP 早先注意到的一些奇怪現象。最簡單的暴脹模型預測,CMB 中的漲落在整個天空中應該看起來都一樣。但是 WMAP 發現,普朗克也證實了,天空的相對半球之間存在不對稱性,以及覆蓋很大區域的“冷斑”。埃夫斯塔修說,這種不對稱性“定義了空間中的首選方向,這是一個極其奇怪的結果”。這排除了某些暴脹模型,但並沒有破壞暴脹本身的觀點,他補充道。然而,這確實提出了令人興奮的暗示,即普朗克的資料中可能還有新的物理學有待發現。

到目前為止,該團隊已經分析了大約 15.5 個月的資料,“我們還有大約相同數量的資料需要研究”,埃夫斯塔修說。該團隊預計將在 2014 年初發佈下一批資料。

本文經 《自然》雜誌許可轉載。該文章於 2013 年 3 月 21 日首次發表

Mark Peplow is a journalist based in Penrith, England.

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