创世遗迹-探测微波背景辐射(图)

　　“我们正在加入CMB研究的十年计划，”加州帕萨迪那喷气推进实验室（JPL）的一名CMB物理学家Charles Lawrence如是说。CMB的数据把我们带回宇宙只有300 000岁的年代。那时候，宇宙是一锅充满光子、电子、质子和氦原子核的浓汤——原子从那里形成。电子和质子跳着疯狂的探戈舞——它们时而结合，时而分开。但是随着宇宙的膨胀和冷却，质子和电子开始配对形成氢原子。这使质子获得了自由，氢原子中的电子更加难与质子相互作用。物理学家把这种现象称作质子和电子的“隔离”。被“隔离”的质子随铺遍宇宙每个角落的微波辐射“地毯”共存到了今天。费城宾夕法尼亚大学的宇宙学家Max Tegmark说：“这是迄今我们对于早期宇宙的最彻底的调查。”

　　藏宝图

　　CMB包含了宇宙的“隔离”阶段开始时的状态非常珍贵的信息。COBE一大贡献就是，揭示出了天空各区域平均能量或者温度的1/10 000的涨落。COBE的CMB温度图像（图1）显示了冷和热的区域的交替起伏。 这是由于在“隔离”开始阶段宇宙各个部分密度不一致造成的。更“热”的光子来自于早期宇宙稠密的区域。这种起伏现象支持了恒星和星系的形成归结于物质分布不均匀的理论。但是COBE的传感器缺乏足够的分辨率去回答一些重要的问题。对高分辨率的CMB图像的分析将会提供给宇宙学家失落的细节， 并且能够帮助他们判断哪种描述宇宙演化的膨胀模型是正确的。关于CMB的信息是如此的重要，因此，科学家在太空探测器升空之前就开展了地面的研究项目以获得CMB数据的精华。新泽西普林斯顿大学的物理学家Lyman Page这样说。与COBE不同的是，地面观测站和气球上的传感器只能拍摄有限的天区，但这不会妨碍它们观测到重要的结果。

　　去年，河外星系毫米波射电和地球物理国际气球观测实验（BOOMERANG）——悬挂在环绕南极飞行的气球下的非常灵敏的微波探测器——拍摄到了迄今为止最高质量的CMB图像。 对这些数据的分析证实了宇宙确实是平坦的——它将会永远的膨胀下去，而不是一些模型所预言的“大坍塌”。

　　分辨率万岁

　　但是现在研究活动的焦点是将部分地面和气球的研究工作转移到两颗卫星上去。它们在研究CMB上有空前的精确度。太空实验有相当大的优点。新的探测器将会避免地球上的微波源对CMB研究的干扰。这些干扰包括移动电话和雷达，甚至还有大气的散射作用。 和它们的老祖宗COBE相同的是，新的探测器观测整个天空，但是这次的分辨率更高。COBE无法观测到角分辨率小于7°的起伏（1°大约是满月张角的两倍）。BOOMERANG对于有限天区的分辨率大约在0.25°。如果一切顺利，下周我们就能看到NASA发射“微波各向异性探测器”（MAP），它能对全天实施角分辨率为0.3°的观测。2007年，欧洲航天局（ESA）将发射普朗克（Planck）探测器，航天局还计划发射更加精密的角分辨率达0.17°的CMB探测器。

计划在2007年发射，Planck将提供最高分辨率的CMB图像

　　宇宙学家急切盼望着MAP和Planck拍摄的图像。根据形成CMB偏差的理论，不同尺度上的起伏源于早期宇宙不同的基本原理。在大约1°尺度上的起伏是由于早期宇宙的震荡。引力试图拉住“物质浓汤”，但这被光子运动所产生的压力所反抗。这种“拉”力和“压”力造就了一系列的反射，并且造成了小块区域不均匀的密度——这就是小尺度起伏的原因。

　　对于“物质浓汤”曾经的运动所造成的起伏的分析将会向宇宙学家揭示出这锅“物质浓汤”的结构。研究者期待MAP和Planck的数据会使他们更好的估计早期宇宙的属性，诸如质子和电子的密度，以及物质和辐射之间的能量分配问题。

　　这些更精确的图像将会对消除宇宙演化理论的分歧有所帮助。大多数宇宙学家深信，在“隔离”开始前，宇宙曾经历了一个“暴涨”阶段，它膨胀的速度甚至超过了光速。但是对于各种暴涨理论参数的测量表明，它们都包含着许多重大的错误，这导致了人们无法确定哪个理论是正确的。位于威尔士的加的夫大学的MAP小组成员Philip Mauskopf说： “如果你想要否定那些理论家，你就必须有真正的证据。”

　　两只眼睛

　　无论CMB多么重要， 太空计划的昂贵花费使人们对于两个探测器的必要性产生了怀疑。这两个探测器计划是由其相应的机构在1996年先后不到1个月的时间里批准的。一些研究者私下说， 这两个机构把CMB作为它们最优先的天体物理学研究，但是却对对方的选择程序缺乏信任。附属于MAP小组的科学家说， 他们不相信Planck——它既昂贵又使用了很多未经试验的技术——能够通过ESA的批准程序。无论什么原因，CMB科学家很高兴看到发射两个探测器的结果，这使他们的数据有了双保险。“CMB是如此的重要，因此两个计划都是必须的，”BOOMERANG和MAP小组的成员Page这样说。新的CMB数据也可能将暴涨理论完全排除——这种情况的可能性也是有的。最初的地面试验的数据似乎是支持暴涨理论的，但是那些数据中包含了太多的噪声而无法排除出错的可能性。但是对于理论更加严格的检验依赖于MAP和Planck所提供的数据。暴涨理论特别提出了关于CMB光子偏振的预言，这可以使它排除与其竞争的理论。Planck将会测量偏振现象，但是它的精度下限是10°。 更精确的测量仰赖于两个气球观测实验—— BOOMERANG的扩展实验和国际毫米波各向异性实验成像阵列（MAXIMA）计划--但是被观测的天区过分受限制。卫星和气球联合观测偏振现象将是检验暴涨理论的重要的一步——但是一个高分辨率的、全天区的观测将有待未来完成，这一切还没有计划。

　　大多数研究者相信暴涨理论可以通过CMB十年研究计划的检验。但是他们一致认为，下一个十年许多宇宙学理论将被淘汰出局，而研究者将会接近关于宇宙演化的共识。

　　附图：

　　随着下周NASA的MAP卫星（右）的发射，宇宙学家希望由COBE拍摄的宇宙微波背景辐射温度起伏的图像（左）将被更高分辨率的图像所取代（中，模拟图）。