具有諷刺意味的是,曾經困擾科學家試圖接收宇宙訊號的靜電,現在卻被證明是關於宇宙的極其豐富的資訊來源。在過去的40年裡,科學家們一直在探測這些訊號——被稱為宇宙微波背景(CMB)輻射——挖掘出革命性地改變了該領域的宇宙學秘密。接下來,歐洲科學家將利用前所未有的精細儀器來探測這些遺蹟光子,他們將於2009年初發射普朗克衛星。
但是,普朗克任務的目的不僅僅是獲得眾所周知的“小數點後多一位數字”。它將首次探測早期暴脹宇宙的動力學。透過仔細分析早期宇宙溫度在不同方向上的細微變化,可以對多種不同的暴脹模型進行檢驗——暴脹是大約在大爆炸後10–35秒發生的空間急劇指數膨脹——因為每種模型都有其獨特的預測。該衛星還將尋找原始引力波的證據,為理論家提供更多資料來應用於他們的想法。它還將更準確地測量宇宙中普通物質、暗物質和暗能量的密度,這些物質以令人費解的比例存在於宇宙中(分別為5%、23%和72%)。
經過多年的規劃、建造和測試,“所有人都笑容滿面”,巴黎天文臺的讓-米歇爾·拉馬爾說,他是衛星上兩個專用相機之一——高頻儀器——的儀器科學家。(另一個是低頻儀器。)普朗克衛星大約有一輛家用汽車大小,將與歐洲航天局的赫歇爾空間天文臺一起從法屬蓋亞那發射升空。它應該在夏季開始返回資料,任務壽命為21個月。
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歐洲航天局於1992年開始規劃普朗克任務,當時美國宇航局的宇宙背景探測者(COBE)衛星開始發回關於CMB各向異性的資料——宇宙殘留背景熱量(-270.42攝氏度,或絕對零度以上2.73度)的細微但確定的波動。這些能量密度波動僅為百萬分之十,但最終導致了宇宙中結構的形成——星系團和它們之間的大片空隙——並且對它們的測量開啟了關於大爆炸的一系列發現。
2003年,當威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)衛星以高出45倍的靈敏度觀察CMB時,該領域又向前邁進了一步。它為科學家提供了關於宇宙年齡(137.3億年)、膨脹率(每百萬秒差距70.1公里/秒,其中百萬秒差距為326萬光年)以及構成宇宙物質的比例的精確測量。WMAP證實了宇宙學中的主導理論,即所謂的ΛCDM(冷暗物質),這是一個受愛因斯坦廣義相對論支配並由排斥引力的暗能量主導的宇宙。
普朗克衛星將測量CMB的波動,精度達到百萬分之二,這比WMAP好大約三倍。其兩個先進的相機將從九個頻率通道(WMAP有五個,範圍有限)收集光線,噪聲降低一個數量級。
勞倫斯伯克利國家實驗室的奧利弗·扎恩說:“普朗克將告訴我們從根本上新的事物,與WMAP互補。”他一直深入參與將普朗克的原始資料轉化為宇宙學引數的計算。“如果普朗克沒有像WMAP和哈勃太空望遠鏡那樣令人驚訝,我會感到驚訝。”WMAP可以測量CMB溫度各向異性中包含的資訊的不到10%,並且只能測量CMB偏振(其電場和磁場在空間傳播時的方向)的方向偏差中的極小一部分。相比之下,普朗克的全天視野將基本上測量所有溫度資訊和大部分偏振資料。
最令人興奮的結果可能來自所謂的偏振資料的B模式,這種模式從未被測量過。預測由宇宙暴脹階段產生的引力波的強度決定了這些B模式的振幅,因此測量它們可以精確定位競爭性暴脹模型中最佳的模型。因此,普朗克可以提供宇宙經歷了暴脹階段的證據,並指出驅動它的能量規模。“在我們將要做的所有令人興奮的科學中,這是所有測量中最令人興奮的,”歐洲航天局普朗克科學團隊主席揚·陶伯說。而且,與往常一樣,普朗克可能帶來的最好的事情可能是完全出乎意料的。
注意:本文最初印刷時的標題為“深入虛空”。