具有讽刺意味的是,曾经困扰科学家试图接收宇宙信号的静电,现在却被证明是关于宇宙的极其丰富的信息来源。在过去的40年里,科学家们一直在探测这些信号——被称为宇宙微波背景(CMB)辐射——挖掘出革命性地改变了该领域的宇宙学秘密。接下来,欧洲科学家将利用前所未有的精细仪器来探测这些遗迹光子,他们将于2009年初发射普朗克卫星。
但是,普朗克任务的目的不仅仅是获得众所周知的“小数点后多一位数字”。它将首次探测早期暴胀宇宙的动力学。通过仔细分析早期宇宙温度在不同方向上的细微变化,可以对多种不同的暴胀模型进行检验——暴胀是大约在大爆炸后10–35秒发生的空间急剧指数膨胀——因为每种模型都有其独特的预测。该卫星还将寻找原始引力波的证据,为理论家提供更多数据来应用于他们的想法。它还将更准确地测量宇宙中普通物质、暗物质和暗能量的密度,这些物质以令人费解的比例存在于宇宙中(分别为5%、23%和72%)。
经过多年的规划、建造和测试,“所有人都笑容满面”,巴黎天文台的让-米歇尔·拉马尔说,他是卫星上两个专用相机之一——高频仪器——的仪器科学家。(另一个是低频仪器。)普朗克卫星大约有一辆家用汽车大小,将与欧洲航天局的赫歇尔空间天文台一起从法属圭亚那发射升空。它应该在夏季开始返回数据,任务寿命为21个月。
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欧洲航天局于1992年开始规划普朗克任务,当时美国宇航局的宇宙背景探测者(COBE)卫星开始发回关于CMB各向异性的数据——宇宙残留背景热量(-270.42摄氏度,或绝对零度以上2.73度)的细微但确定的波动。这些能量密度波动仅为百万分之十,但最终导致了宇宙中结构的形成——星系团和它们之间的大片空隙——并且对它们的测量开启了关于大爆炸的一系列发现。
2003年,当威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星以高出45倍的灵敏度观察CMB时,该领域又向前迈进了一步。它为科学家提供了关于宇宙年龄(137.3亿年)、膨胀率(每百万秒差距70.1公里/秒,其中百万秒差距为326万光年)以及构成宇宙物质的比例的精确测量。WMAP证实了宇宙学中的主导理论,即所谓的ΛCDM(冷暗物质),这是一个受爱因斯坦广义相对论支配并由排斥引力的暗能量主导的宇宙。
普朗克卫星将测量CMB的波动,精度达到百万分之二,这比WMAP好大约三倍。其两个先进的相机将从九个频率通道(WMAP有五个,范围有限)收集光线,噪声降低一个数量级。
劳伦斯伯克利国家实验室的奥利弗·扎恩说:“普朗克将告诉我们从根本上新的事物,与WMAP互补。”他一直深入参与将普朗克的原始数据转化为宇宙学参数的计算。“如果普朗克没有像WMAP和哈勃太空望远镜那样令人惊讶,我会感到惊讶。”WMAP可以测量CMB温度各向异性中包含的信息的不到10%,并且只能测量CMB偏振(其电场和磁场在空间传播时的方向)的方向偏差中的极小一部分。相比之下,普朗克的全天视野将基本上测量所有温度信息和大部分偏振数据。
最令人兴奋的结果可能来自所谓的偏振数据的B模式,这种模式从未被测量过。预测由宇宙暴胀阶段产生的引力波的强度决定了这些B模式的振幅,因此测量它们可以精确定位竞争性暴胀模型中最佳的模型。因此,普朗克可以提供宇宙经历了暴胀阶段的证据,并指出驱动它的能量规模。“在我们将要做的所有令人兴奋的科学中,这是所有测量中最令人兴奋的,”欧洲航天局普朗克科学团队主席扬·陶伯说。而且,与往常一样,普朗克可能带来的最好的事情可能是完全出乎意料的。
注意:本文最初印刷时的标题为“深入虚空”。