普朗克封笔之作:最后一个研究宇宙微波背景辐

发布者:admin 发布时间:2019-10-22 14:58 浏览次数:

  上周,欧洲航天局(ESA)的普朗克太空望远镜发布了早期宇宙的最终地图,这预示着普朗克任务已经奏响“最后的乐章”。

  普朗克是研究宇宙微波背景辐射(CMB,宇宙大爆炸的微弱余辉)的三大太空望远镜系列中的最后一个,它使科学家获得了迄今对宇宙的年龄、几何形状和构成最精确的测量结果。

  由于欧洲和美国的机构都在犹豫是否为后续太空任务提供资金,普朗克将成为未来多年研究CMB的最后一个太空望远镜,对宇宙学家来说,这无疑是一个巨大的变化。

  二十多年来,许多基于地面和热气球的实验以及三个主要的太空望远镜对CMB进行了研究。他们主要专注于绘制天空中CMB温度的微小变化,以创建已成为宇宙学黄金标准的宇宙图表。

  普朗克太空望远镜从2009年到2013年一直在收集数据,获得了前所未有的精确数据,帮助科学家确定了宇宙的年龄(约138亿年)、几何形状(基本上是平的)及其组成(95%的暗物质和暗能量)。特别重要的是,普朗克最新发布的数据巩固了早期基于普朗克数据的预测,即宇宙的膨胀速度应该比目前观察到的慢9%。

  爱尔兰梅努斯大学的理论宇宙学家彼得·科尔斯并没有参与普朗克任务,他表示,温度图谱和它们产生的科学是一项“伟大的成就”,但它们没有更多东西可以提供。

  据美国《科学美国人》杂志官网7月24日报道,ESA普朗克任务项目科学家、宇宙学家简·陶伯说:“整整一代年轻科学家与普朗克一起成长。”而随着普朗克任务的结束,研究人员纷纷转向研究CNMB不同方面的小型项目。

  巴黎天体物理研究所(IAP)的西尔维亚·加利在获得博士学位后于2013年成为普朗克团队的一员,是少数十几位留在该任务中的科学家之一,并帮助领导了最新研究。现在,她说,她可能会和许多同事一起加入欧几里德(Euclid)望远镜项目。这一项目由ESA主导,将在前所未有的尺度上绘制宇宙的星系图,并且将于2021年发射。欧几里德是一种老式的光学望远镜,而非微波探测器,在技术上与普朗克不同。

  朱利安·卡隆是英国塞克斯大学的博士后,主要研究普朗克探测器,他目前已加入智利的西蒙斯天文台。他说,西蒙斯天文台吸引人的一个地方是,使用引力透镜解决另一个基本物理问题——估算被称为中微子的基本粒子的质量的可能性。

  随着普朗克即将落幕,该领域的主要关注点是对CMB的其他参数进行详细测量,其中包括CMB的偏振——微波电磁场在特定方向上对齐的轻微趋势。研究人员希望从中找到宇宙发生暴胀(宇宙大爆炸后短暂时期宇宙呈指数级的膨胀)的标志。IAP普朗克任务高级研究员卡里姆·博纳伯德说,宇宙学家还可以通过研究CMB的偏振如何使时空弯曲来测量物质在整个宇宙中的分布,这种效应称为引力透镜。

  普朗克也和2000年代美国航空航天局(NASA)的望远镜一样绘制偏振,但其灵敏度有限。巴黎狄德罗大学的天体物理学家雅克·德拉布鲁耶帮助设计了普朗克望远镜,他说:“只有10%的偏振信息被利用,CMB仍有很多秘密有待揭开。”

  到目前为止,尽管有几个美国团体正在用地面和气球设施测量偏振,但NASA和ESA拒绝资助大型新卫星研究CMB。一个原因是,实验尚未找到宇宙暴胀的偏振特征。位于南极的BICEP2望远镜团队2014年声称检测到了该特征,但普朗克数据后来显示它只是银河系中的尘埃。在最新研究中,普朗克团队还在BICEP2数据的帮助下寻找暴胀的特征,但一无所获。然而,美国普林斯顿大学的宇宙学家理查德·戈特说:“我们还没有看到的事实并不意味着它不存在。”

  缺乏重大的CMB任务让很多研究人员深感担忧,加利说:“在科学上,这将是一场灾难,这些年来积累的大量专业知识和技能都有失去的风险。”

  为此,科学家正积极寻找解决办法。许多美国团队现在正在联手并寻求资金建造一个价值4亿美元的下一代地面望远镜网络——CMB-S4,它对暴胀特征的敏感度超越所有“前辈”。陶伯说,这是即将浮出水面的下一个大事件。

  许多CMB研究人员则继续支持太空任务。英国卡迪夫大学的普朗克宇宙学家埃米尼亚·卡拉布雷塞正积极推动欧洲加入日本拟议的“轻鸟”(LiteBIRD,“宇宙背景辐射B模偏振与膨胀探测研究轻型卫星”)探测项目,这一任务旨在以更低成本寻找宇宙暴胀的标志。卡拉布雷塞说:“这一任务的想法是建立一个更小、更集中的卫星。但从太空中,它仍然具有看到整个天空的优势,这是从地面无法完成的事情。”

  有人则希望欧洲航天局能与印度合作,提出另一项偏振任务——CMB-Bharat。

  其他宇宙学家则正试图在欧洲启动CMB-偏振研究。意大利米兰大学普朗克高级成员戴维德·梅诺正在与意大利主导的偏振实验开展合作,该实验将以西班牙特内里费岛为基础。研究人员表示,如果基于地面的实验甚至可以看到宇宙暴胀的迹象,那将鼓励太空机构为重大任务提供资金。


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