宇宙学中最大的难题是……

……生活在一个使得宇宙学研究变得困难的地方。让我们稍微回溯一下。除非你一直生活在一块特别厚实且绝缘的石头下,否则你就会知道,近几个月来,实验宇宙学界(以前可能被称为观测宇宙学,或者只是普通的天文学)一直处于紧张等待状态,想看看 [...]

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


...生活在一个使得宇宙学研究变得困难的地方。

让我们稍微回溯一下。除非你一直生活在一块特别厚实且绝缘的石头下,否则你就会知道,近几个月来,实验宇宙学界(以前可能被称为观测宇宙学,或者只是普通的天文学)一直处于紧张等待状态,想看看BICEP2 测量的宇宙微波背景辐射偏振是否真的是暴胀宇宙的标志,或者——坦率地说——只是尘埃。

这个故事在很多地方都得到了很好的讲述,但对 BICEP2 数据的关键批评是,肮脏的古老星系——银河系——可能完全是造成所看到信号的原因。这是一个银河系前景,是我们和宇宙之间面纱的一部分。现在,随着普朗克卫星的结果发布,这种情况似乎越来越有可能(尽管盖子远未密封)。


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微观尘埃——硅酸盐、碳、氧化铝和其他化合物的颗粒,可能覆盖着水或有机物——在我们星系的每个地方都存在,就像在大多数星系中一样。它是恒星本身的产物——凝结和结晶的物质被抛入虚空。我们可以通过观察我们的宇宙邻居仙女座星系来了解这种污垢的广阔程度——这是一张用 NASA 的斯皮策天文台制作的中红外地图,显示了“温暖”尘埃的位置(温度高于约 20 开尔文)。

尘埃弥漫的仙女座星系 (NASA 斯皮策)

尘埃很多,而且遍布各处。银河系的情况也类似,如果你身处这样的星系内部,你对宇宙的视野将会变得复杂。而且阻碍视线的不仅仅是尘埃。还有星际气体和恒星。

当然,像仙女座星系一样,我们的星系呈盘状。虽然它的直径约为 100,000 到 120,000 光年,但恒星分布的厚度或深度可以缩小到仅几千光年。这就是为什么我们可以抬头看到星盘的平面,黑暗的天空中横跨的乳白色飞溅,这就是我们星系名称的由来。

所有这些对遥远事物的遮蔽长期以来都影响着宇宙学研究。绘制的遥远星系位置图通常只是切掉天空难以找到这些物体的部分,或者将它们留空。这是一个我们拥有的关于相对附近的星系位置的最佳地图的示例(每个点都是一个星系)。

对数万个“附近”星系的 2MASS 巡天,以银河坐标绘制,其中银河系横跨水平方向。

那条黑暗的水平条纹?那是银河系的平面,对我们隐藏着谁也不知道的东西。

如果你试图弄清楚,例如,引力拉力对我们的本星系群的影响,或者实际上我们是否是更大的宇宙结构的一部分——比如星系超星系团,这是一个大问题。

问题不仅仅在于我们对宇宙的视野被遮蔽,银河系的东西也会与河外的东西混淆。在像斯莱弗和哈勃这样的天文学家在 20 世纪初成功测量到遥远星系的退行速度之前,还不清楚这些物体是否仅仅是其他的“星云”——不会分解成单个恒星的光斑,就像银河系旋臂上点缀的真正的分子气体和尘埃星云一样。同样,类星体射电源或类星体之所以如此命名是有原因的。20 世纪 60 年代拍摄的这些物体的可见光图像看起来就像你在观察我们星系中的恒星一样——一个光点。在测量出它们真正的(巨大的)宇宙学距离之前,天文学家通常认为这些奇特的物体在我们星系中,而没有意识到它们实际上是超大质量黑洞忙于撕裂物质的遥远家园。

然后是宇宙微波背景。这是欧空局普朗克卫星的一张旧地图,显示了实验必须应对的问题。

普朗克卫星看到的整个天空(再次以银河坐标表示)(欧空局)

蓝白色漩涡和云团代表来自银河系气体和尘埃的微波辐射和遮蔽,从我们的位置(星系的平面在这里水平横穿中间)看到。斑驳的橙色-紫红色物质?其中一些是原始的,是宇宙结构在我们宇宙只有几十万年时留下的印记——宇宙学家彩虹尽头的一点黄金。

很容易看出这有多么困难。我们深深地坐在大量的浑浊物中,这些浑浊物可以吸收或发射与我们希望窥视遥远宇宙的相同波长的辐射。这就是为什么天文界投入大量精力来描述我们自己的后院的原因之一,这样我们才能更好地透过栅栏的缝隙向外窥视。

但是,如果我们退后一步,从更广阔的角度来看,这种情况有一些有趣的地方。宇宙学家已经指出,在许多方面,我们存在于一个研究宇宙的特别好的时间。在 50 亿年或更久以前,我们将很难探测到宇宙加速膨胀的证据。在未来一千亿年,同样的膨胀将使我们的星系与宇宙其余部分的大部分电磁信号隔离——使其成为一个孤独的岛屿,在那里可能无法正确推断出周围宇宙的潜在属性。

然而,我们所在的位置对于宇宙学来说并不理想。银河系中富含奇妙元素的漩涡,以及使生命在此处出现的丰富恒星和行星,也使理解普遍真理的尝试变得复杂——有时甚至令人困惑。

如果我们从中学到什么?首先,这是一个很好的提醒,每当有人暗示我们的宇宙位置有什么“特殊”或最佳之处时,他们可能不是实验宇宙学家。这也是一个提醒,宇宙尚未将它的秘密放在我们脚下,而且肯定还有许多惊喜在等待着我们。

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