普朗克卫星:揭开宇宙深层次的秘密

作者: 马寅哲

来源: 《物理》2015年第3期

发布日期: 2015-03-13

本文详细介绍了普朗克卫星的工作原理、数据处理过程及其在宇宙学研究中的重要发现,包括对宇宙微波背景辐射的精确测量、宇宙学参数的拟合以及对暗能量和暗物质的研究。此外,文章还展望了未来宇宙学研究的方向,强调了进一步寻找原初引力波、加强中微子质量限制以及限制暗能量状态方程参数的重要性。

从1990年代起,观测宇宙学作为现代天体物理学的重要分支开始迅猛发展。1989年美国宇航局发射上天的COBE卫星,在1992年公布的强度与频率图中,第一次证明了宇宙微波背景辐射(CMB)随频率的变化精确地符合温度等于2.73 K的黑体辐射谱,因此证明了当今宇宙一定来源于一个高温高密的极早期态。

这一成果使得COBE的领导人获得2006年诺贝尔物理学奖,而史蒂芬·霍金称它为“20世纪最重要的科学发现”。紧随其后,美国宇航局1999年发射上天的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)则更加精确地测量了CMB在各个方向上的温度涨落,而此温度的各向异性图对于限制宇宙组分起到了关键作用。

2009年5月14日,欧洲宇航局在圭亚那法属领地将Planck发射上天,2009年7月抵达绕转日地系统的第二拉格朗日点的轨道上,在2009年8月12日,高频与低频两个探测器同时展开观测,15.5个月之后已完成2.5次全天空巡天。而到2012年1月,即开展工作后的29个月已完成4.8次全天空巡天。

至此,高频段探测器的低温液体3He已全部耗完,随后低频探测器又持续工作了21个月,直到2013年8月整个卫星在完成工作以后完全失去控制电力。之后Planck便偏离了绕转第二拉格朗日点的轨道,给未来的Euclid,JWST等卫星让出空间。

Planck最主要的任务是,利用它的温度场和极化功率谱来拟合宇宙学参数。由于2015年使用了4.8个高频探测器全天空巡天结果,相当于比2013年的2.5个全天空巡天多了一倍数据,因此每个参数的误差棒近似于2013年结果的1/2。

观测表明,在观测宇宙的范围内,宇宙空间看起来很平坦,而且各个方向上的密度涨落处于一个量级。

如果将经典的宇宙大爆炸模型往前推,在宇宙早期,空间必须非常平坦才能使得今天宇宙的空间曲率很低,这样的对早期宇宙空间曲率的微调称之为“平坦性疑难”。另外,在CMB天图上以1.2°以上分离的两片区域回推到光子退耦时期应该没有任何因果联系,而在天图上我们看到温度场的分布十分均匀,起伏只在10-5量级,即超视界的均匀性从何而来,这便是所谓的“视界疑难”。

究竟未来CMB研究的空间何在?

进一步寻找原初张量扰动,即原初引力波,无疑是所有目前以及未来CMB项目的首要目的;对原初标量扰动谱指数的更强限制,对于排除和检验各种暴胀模型实为关键;进一步加强中微子质量的限制。下一阶段的CMB观测将更精确地测量CMB引力透镜、CMB极化场的角功率谱,因此会进一步压低中微子质量的上限,有望区分中微子质量本征态的分布;进一步限制暗能量的状态方程参数和偏离爱因斯坦广义相对论的效应。

星系巡天和21 cm中性氢的测量也会大幅度提高暗能量模型的检验精度;再电离历史。目前的Planck观测给出了即刻再电离模型的红移以及光学深度τ,但再电离的具体物理过程尚未确定下来。未来的CMB观测与类星体吸收线的数据相结合,可探究具体的再电离过程;进一步寻找等曲率扰动模式(非绝热扰动)的大小;丢失的重子物质。

Planck给出了散落在暗物质晕之外的重子物质的信号,未来的角分辨率更强、信噪比更高,以及多频段的地面CMB观测将得到更精细的SZ效应图。这将对寻找那些未处于星系团之中的温热气体提供帮助。

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