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孩提时代的宇宙长啥样?


欧洲宇航局的“普朗克”卫星收集到的宇宙微波背景图。这是宇宙在38万岁时,宇宙热量图印在太空中的样子。

周四,天文学家公布了迄今为止最新、最精致的婴儿期宇宙图像。该图像表明,宇宙的年龄比之前设想的大了8000万到1亿岁,体积也更大,包含更多物质,而且可能略微有些不均衡。

该图像由欧洲航天局(European Space Agency)的“普朗克”(Planck)卫星记录生成,是“大爆炸”(Big Bang)发生仅37万年后宇宙的热量图。图像中的宇宙空间点缀着微弱的斑点,这些斑点会在几十亿年的时间里形成星系。

周四,“普朗克”小组在新闻发布会和29份发布在网上的论文中指出,这份图像和过去20年间出现的关于宇宙的普遍观点有惊人的一致之处,人们普遍认为宇宙是由似乎起膨胀作用的神秘暗能量和起聚拢作用的几乎同样神秘的暗物质主宰。图像也表明,宇宙似乎经历了一个被称为“膨胀”的爆炸性扩张过程,这就是“大爆炸”中的“炸药”。

欧洲航天局局长让-雅克•多尔丹(Jean-Jacques Dordain)在一份声明中表示,“普朗克”描绘的宇宙婴儿期图片的超凡品质让我们能剥开宇宙的层层面纱,看到核心,并揭示出我们为宇宙描绘的蓝图还远远不够完整。

然而,在标准宇宙学框架内,新的卫星数据凸显了一些令人疑惑的异常现象的存在,这些异常现象可能会让理论家重头再来。例如,宇宙似乎更加不平整,以地球为视点观察到的北部太空比南部太空有更大、数量更多的热的和冷的斑点,而且北天球还有一大片无法解释的低温斑点。

美国国家航空航天局(NASA)的威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)绘制的图像中也曾显示了这些异常情况,但一些人认为这是由错误分析或银河系的污染造成的。

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的早期宇宙专家马克斯•特格马克(Max Tegmark)说,宇宙学家如今需要更加认真地对待这些异常现象了。特格马克不是“普朗克”小组的研究人员。他称这些新发现“非常令人振奋”。他说,有可能“宇宙在试图告诉我们什么事”。

“普朗克”卫星于2009年发射,此后一直在扫描太空,记录充斥太空的大量无线电微波的微弱变化。

微波是一种电磁辐射,我们在厨房里用它加热剩饭。它们对宇宙学的重要性是贝尔实验室(Bell Labs)的射电天文学家阿尔诺•彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特•W•威尔逊(Robert W. Wilson)在1965年偶然发现的。他们后来荣获了诺贝尔物理学奖。天文学家一直在利用气球、一架U-2侦察机和包括威尔金森微波各向异性探测器在内的一系列卫星,对这种辐射的具体特征进行梳理。

宇宙学家称,“普朗克”卫星检测到的微波来自“大爆炸”37万年之后,达到了光学望远镜和射电望远镜所能看到的最远极限。但微波内呈现的分布特征却可追溯到大爆炸发生后的一万亿分之一秒以内。据说那时宇宙已经历了一次剧烈的快速扩张,即人们所说的宇宙膨胀。那次膨胀开启了宇宙的历史,从那时以来,宇宙就在这条历史轨迹上发展至今。发现这些微波分布是“普朗克”的功劳。

多年来,通过分析斑点和波动的相对大小和频率,天文学家能以让哲学家自愧不如的精确程度描述宇宙的诞生。最新数据已经让天文学家对他们的模型进行了微调。如今看来,宇宙的年龄好像是138亿岁,而不是137亿岁,并且宇宙的质量包括4.9%的普通物质,比如原子,27%的暗物质和68%的暗能量。

约翰•霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天体物理学家马克•卡米奥库斯基(Marc Kamionkowski)在由NASA主办的电话新闻发布会上对这项工作进行评论时,把“普朗克”称作是“宇宙学的人类基因组计划”,并说,“它展示了当前的宇宙是从哪些物质中发展而来的。”

普林斯顿大学(Princeton University)的宇宙学家戴维•N•斯普吉尔(David N. Spergel)说最新结果“非常美”。

“标准的宇宙模型看起来比过去更准确了,”他说,“宇宙依然很简洁,很奇特。”

天文学家表示,最让人吃惊的是,同之前的测量数据显示的情况相比,宇宙现在的扩张速度要略微慢一些。“普朗克”提供的数据显示,描述宇宙扩张速度的哈勃常数(Hubble constant)是67公里每秒每百万秒差距,这是天文学家使用的单位。近来地面测量结合WMAP提供的数据,得到的数值是69公里。两者之间的差异,足以让宇宙学家重新构建宇宙发展史的电脑模型了。

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