幼年宇宙的照片
作者：苗千（文 / 苗千）
( 2009年5月13日，搭载普朗克卫星的欧洲航天局“阿里安”运载火箭在法属圭亚那的库鲁空间基地等待发射 )
2013年3月21日当地时间上午10点，欧洲航天局（ESA）在巴黎召开新闻发布会，公布了现在还在太空中工作的普朗克卫星对宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background）探测收获的数据和由此绘制的早期宇宙的详细地图。这次公布的数据呈现给人们一个前所未有的早期宇宙清晰的图景，这将使人类更深入地了解宇宙诞生的细节，同时也给宇宙学和物理学的发展指出了新的方向。
宇宙微波背景辐射可以说是宇宙大爆炸在空间中绵延至今的回响。在20世纪40年代，就有物理学家提出了关于可能存在宇宙微波背景辐射的预测，这个预测在1964年才被一组科学家证实。宇宙微波背景辐射大约产生于宇宙诞生后的38万年，在这之前，整个宇宙一直都处于一种极高温度的类似于“粒子汤”的状态，夸克（之后相互结合形成质子）、电子和光子在极高的温度下频繁相互作用，在这种情况下光子无法逃离与物质之间的相互作用，也就无法做长途旅行，因此整个宇宙显得并不透明。过了一段时间，整个宇宙逐渐冷却，平均温度降到了大约2700摄氏度，这时质子与电子才开始结合形成氢原子，促使物质与光子能够彼此分开，光子终于可以摆脱物质进行长途旅行，整个宇宙才开始逐渐清晰起来，宇宙微波背景辐射正是在这段时间形成。因此，对它的探测就相当于绘制一幅宇宙幼年时的照片，而且这张照片里可能包含了宇宙诞生的秘密。
普朗克卫星并非第一个进行宇宙微波背景辐射探测的卫星，美国航空航天局在1989年发射了COBE（COsmic Background Explorer）宇宙背景探测器，它探测到目前宇宙微波背景辐射的温度大约为2.73开尔文，同时在各个方向上又有极小的波动。之后，美国航空航天局在2001年又发射了威尔金森宇宙微波背景辐射各异向性探测器（WMAP），用来探测宇宙微波背景辐射的极小波动。欧洲航天局发射的普朗克卫星是第三个执行类似任务的探测器，它具有相对于其他两颗探测卫星更高的灵敏度，因此可能绘制出最清晰的幼年宇宙的照片，也就格外引人期待和关注。
如果说COBE探测器和WMAP探测器绘制的早期宇宙的图像只算得上是油画的话，普朗克卫星对宇宙微波背景辐射探测绘制出的图像就算得上是清晰的数码照片。普朗克卫星于2009年5月升空，它的装备主要有两部分：低频率仪器（LFI）在30G赫兹、44G赫兹和70G赫兹的频率进行探测；高频率仪器（LFI）在100G赫兹、143G赫兹、217G赫兹、353G赫兹、545G赫兹和857G赫兹的频率进行探测，其灵敏度足以探测到百万分之一度范围的温度差异。因为在宇宙空间极低温度条件下探测温度的极小波动有很大难度，它对每一个点都会进行1000次探测，然后取其平均值。
科学家们根据普朗克卫星在太空中前15.5个月内收集到的数据绘制出早期的宇宙图像，基本上描绘出了一个“完美”的宇宙——它的探测数据与目前人类根据标准模型宇宙学给出的宇宙模型非常契合，同时在一些细节处又与理论预测相悖，这可能正是宇宙学家们最希望得到的结果——既可以给自己之前的工作带来信心，同时也需要在原有的基础上进行更深入的研究。或许这些观测结果将会颠覆人类对于宇宙起源的一些最基本的假设，促使宇宙学家发展出新的宇宙学理论。
宇宙学家们根据标准模型理论预测宇宙的形态，整个宇宙在大尺度上是均匀的，但是普朗克卫星的探测结果表明，如果我们真正从“大尺度”上观察，整个宇宙很有可能并不是均匀的，宇宙的上下“半球”的微波背景辐射平均温度并不相同，同时，宇宙微波背景辐射在大尺度区域的观测结果与标准模型的预测也有所不同，得到的信号要弱于理论预测。普朗克卫星还观测到了一个宇宙中的“冷点”，这个点的微波背景辐射温度相对别处较低。在此之前，WMAP探测器已经探测到了这个区域，普朗克卫星的探测结果肯定了它的存在，而且精确的探测显示这个区域比人们之前想象的更大，这个“冷点”的存在也无法通过标准模型的预测给出答案。
宇宙微波背景辐射的波动之所以尤其重要，不仅因为这是人类可以通过光在时间维度上进行回溯所能达到的最远距离，同时，微波背景辐射的波动也蕴含着宇宙婴儿时期的秘密。根据人们目前对于宇宙诞生过程的理解，在宇宙刚刚诞生后，出现了一次宇宙“暴涨”（Inflation），这次只持续了极短时间的暴涨使得宇宙的半径增大了10-30倍，而在暴涨之前的宇宙状态则是宇宙微波背景辐射出现波动的关键。
至今回荡在宇宙间的宇宙大爆炸的回响，虽然经过了上百亿年的时间，但是仍然可能带有对于宇宙早期形态的记忆。在宇宙的幼年时期，物质分布非常均匀，宇宙中物质密度的差异在百万分之一以下，在之后经过漫长的时间，通过引力作用才使得物质相互吸引聚集在一起，逐渐形成了恒星、星系和星系团。而在宇宙早期，物质密度的极小不均，被宇宙暴涨所拉伸，形成了如今的宇宙结构，也可能造成微波背景辐射的波动——来自物质密度更大区域的光子，会受到更强的引力作用，因此它们也就需要消耗更多的能量来摆脱引力作用。这样，对于观测者来说，这些光子的温度就更低——也就是说，宇宙微波背景辐射的波动，实际上反映了宇宙最初的物质分布结构。
通过普朗克卫星的精确探测，人们对于宇宙也有了更加精确的认识，对一些数值进行了更精确的测量。现在人们了解，在宇宙中，一般物质只占到整个宇宙构成的4.9%，而暗物质占到了整个宇宙构成的26.8%，比之前人们的估算增加了近1/5，暗能量在宇宙中的构成则低于之前的预期，它们的起源对人们来说仍然是一个谜。宇宙的年龄则精确到了大约138.2亿年，比人们之前的估算要老1亿年。同时，对于描述宇宙膨胀的哈勃常数也有了更精确的测量，人们发现宇宙在以比人们之前想象的慢得多的速度膨胀。
想要处理普朗克卫星得到的海量数据并不容易，为了绘制整个宇宙的微波背景辐射地图，普朗克卫星对于宇宙中数十亿的点进行了上万亿次的测量。普朗克卫星上的72个探测器每一秒钟都会得到1万个数据。要对这样的海量数据进行分析，需要极高的技术水平。欧洲航天局坐落在法国巴黎和意大利特里斯特的两个数据处理中心和美国航空航天局的喷气动力实验室合作利用超级计算机进行数据处理。科学家们首先滤除掉宇宙中星系的辐射，并且还要考虑到光子在经过星系时发生的“引力透镜”现象，才能绘制出真实清晰的早期宇宙微波背景辐射的图像。
欧洲航天局在公布了普朗克卫星的探测数据之后，已经发表了大量的论文论述对于普朗克卫星前15.5个月收获的探测数据进行分析的结果。随后，在2013年4月初，欧洲航天局还将在荷兰的诺德维克召开一个国际会议，专门讨论普朗克卫星探测到的数据，它的其他探测数据将在2014年初公布。如今，这个最初被命名为“COBRAS/SAMBA”的探测器仍然忠实地在太空中工作，它的高频率仪器耗尽了制冷剂，已经完成了任务，而低频仪器仍然在继续收集数据，绘制宇宙幼年时期的照片。人们正是通过了解宇宙诞生的秘密，来预测宇宙的未来，并且更深地理解自己。
（本文的大部分数据来自于欧洲航天局和美国航空航天局网站） 卫星微波辐射幼年宇宙微波辐射背景普朗克科学宇宙起源天文宇宙宇宙学航空航天照片