宇宙學中最大的難題是……

……生活在一個使得宇宙學研究變得困難的地方。讓我們稍微回溯一下。除非你一直生活在一塊特別厚實且絕緣的石頭下,否則你就會知道,近幾個月來,實驗宇宙學界(以前可能被稱為觀測宇宙學,或者只是普通的天文學)一直處於緊張等待狀態,想看看 [...]

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...生活在一個使得宇宙學研究變得困難的地方。

讓我們稍微回溯一下。除非你一直生活在一塊特別厚實且絕緣的石頭下,否則你就會知道,近幾個月來,實驗宇宙學界(以前可能被稱為觀測宇宙學,或者只是普通的天文學)一直處於緊張等待狀態,想看看BICEP2 測量的宇宙微波背景輻射偏振是否真的是暴脹宇宙的標誌,或者——坦率地說——只是塵埃。

這個故事在很多地方都得到了很好的講述,但對 BICEP2 資料的關鍵批評是,骯髒的古老星系——銀河系——可能完全是造成所看到訊號的原因。這是一個銀河系前景,是我們和宇宙之間面紗的一部分。現在,隨著普朗克衛星的結果釋出,這種情況似乎越來越有可能(儘管蓋子遠未密封)。


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微觀塵埃——矽酸鹽、碳、氧化鋁和其他化合物的顆粒,可能覆蓋著水或有機物——在我們星系的每個地方都存在,就像在大多數星系中一樣。它是恆星本身的產物——凝結和結晶的物質被拋入虛空。我們可以透過觀察我們的宇宙鄰居仙女座星系來了解這種汙垢的廣闊程度——這是一張用 NASA 的斯皮策天文臺製作的中紅外地圖,顯示了“溫暖”塵埃的位置(溫度高於約 20 開爾文)。

塵埃瀰漫的仙女座星系 (NASA 斯皮策)

塵埃很多,而且遍佈各處。銀河系的情況也類似,如果你身處這樣的星系內部,你對宇宙的視野將會變得複雜。而且阻礙視線的不僅僅是塵埃。還有星際氣體和恆星。

當然,像仙女座星系一樣,我們的星系呈盤狀。雖然它的直徑約為 100,000 到 120,000 光年,但恆星分佈的厚度或深度可以縮小到僅幾千光年。這就是為什麼我們可以抬頭看到星盤的平面,黑暗的天空中橫跨的乳白色飛濺,這就是我們星系名稱的由來。

所有這些對遙遠事物的遮蔽長期以來都影響著宇宙學研究。繪製的遙遠星系位置圖通常只是切掉天空難以找到這些物體的部分,或者將它們留空。這是一個我們擁有的關於相對附近的星系位置的最佳地圖的示例(每個點都是一個星系)。

對數萬個“附近”星系的 2MASS 巡天,以銀河座標繪製,其中銀河系橫跨水平方向。

那條黑暗的水平條紋?那是銀河系的平面,對我們隱藏著誰也不知道的東西。

如果你試圖弄清楚,例如,引力拉力對我們的本星系群的影響,或者實際上我們是否是更大的宇宙結構的一部分——比如星系超星系團,這是一個大問題。

問題不僅僅在於我們對宇宙的視野被遮蔽,銀河系的東西也會與河外的東西混淆。在像斯萊弗和哈勃這樣的天文學家在 20 世紀初成功測量到遙遠星系的退行速度之前,還不清楚這些物體是否僅僅是其他的“星雲”——不會分解成單個恆星的光斑,就像銀河系旋臂上點綴的真正的分子氣體和塵埃星雲一樣。同樣,類星體射電源或類星體之所以如此命名是有原因的。20 世紀 60 年代拍攝的這些物體的可見光影像看起來就像你在觀察我們星系中的恆星一樣——一個光點。在測量出它們真正的(巨大的)宇宙學距離之前,天文學家通常認為這些奇特的物體在我們星系中,而沒有意識到它們實際上是超大質量黑洞忙於撕裂物質的遙遠家園。

然後是宇宙微波背景。這是歐空局普朗克衛星的一張舊地圖,顯示了實驗必須應對的問題。

普朗克衛星看到的整個天空(再次以銀河座標表示)(歐空局)

藍白色漩渦和雲團代表來自銀河系氣體和塵埃的微波輻射和遮蔽,從我們的位置(星系的平面在這裡水平橫穿中間)看到。斑駁的橙色-紫紅色物質?其中一些是原始的,是宇宙結構在我們宇宙只有幾十萬年時留下的印記——宇宙學家彩虹盡頭的一點黃金。

很容易看出這有多麼困難。我們深深地坐在大量的渾濁物中,這些渾濁物可以吸收或發射與我們希望窺視遙遠宇宙的相同波長的輻射。這就是為什麼天文界投入大量精力來描述我們自己的後院的原因之一,這樣我們才能更好地透過柵欄的縫隙向外窺視。

但是,如果我們退後一步,從更廣闊的角度來看,這種情況有一些有趣的地方。宇宙學家已經指出,在許多方面,我們存在於一個研究宇宙的特別好的時間。在 50 億年或更久以前,我們將很難探測到宇宙加速膨脹的證據。在未來一千億年,同樣的膨脹將使我們的星系與宇宙其餘部分的大部分電磁訊號隔離——使其成為一個孤獨的島嶼,在那裡可能無法正確推斷出周圍宇宙的潛在屬性。

然而,我們所在的位置對於宇宙學來說並不理想。銀河系中富含奇妙元素的漩渦,以及使生命在此處出現的豐富恆星和行星,也使理解普遍真理的嘗試變得複雜——有時甚至令人困惑。

如果我們從中學到什麼?首先,這是一個很好的提醒,每當有人暗示我們的宇宙位置有什麼“特殊”或最佳之處時,他們可能不是實驗宇宙學家。這也是一個提醒,宇宙尚未將它的秘密放在我們腳下,而且肯定還有許多驚喜在等待著我們。

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