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新数据揭示宇宙命运:或在大撕裂中灭亡
2013-04-08 08:07:53   编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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新浪科技编译英国《新科学家》杂志报道称,从与一个倒扣的碗相类似的大爆炸之初,到最终的大撕裂假说,最新的普朗克望远镜测量数据正在改变我们对宇宙的认识。

就在欧洲空间局(ESA)公布由普朗克望远镜获取的迄今最详尽宇宙微波背景辐射(CMB)地图的前夜,美国密歇根大学科学家德雷根·亨特表示:“明天将是宇宙学家们的新生之日,这将是一场盛宴,而我们将会逐个品尝这些大餐。”

就和生活中真正的生日礼物一样,这些礼物所带来的总有一些是你预料之中的,还有一些则是惊喜。但有时候也会有一些礼物不那么讨人喜欢——的确,此次普朗克望远镜给出的观测结果中有一些异常之处让人感到困惑,这就是一种被宇宙学家们称作“邪恶轴心”(Axis of Evil)的大尺度宇宙结构现象。

这份最新的宇宙地图于3月21日对外公布,数据是由欧空局的普朗克空间望远镜获取的,其精确纪录了宇宙微波背景辐射中的温度差异。这些温度上的不均匀一般认为是在宇宙大爆炸之后经历的一个被称作“暴涨”的时期产生的量子涨落导致的,这种不均匀性构成了日后形成今日宇宙中恒星和星系结构的基础。

碗口模型

此次引起广泛关注的一点便是,普朗克获得的最新数据中与宇宙暴涨过程有关的情况。亨特表示:“暴涨是宇宙早期情形,是早期宇宙中最基本的情形之一。”

在此之前获得的宇宙地图分辨率较低,不足以揭示宇宙暴涨过程中的很多细节。如果暴涨的加速机制和一个滚下山坡的球的加速机制相同,那么现在存在的问题就是:暴涨的过程究竟是和一只碗的内壁形状相似,还是与外壁的形状相似?前者意味着暴涨的过程先快后慢,而后者则相反,先慢后快。另外一个问题则是:这只碗究竟是一只浅浅的碟子,还是一只深深的瓶子?

根据普朗克望远镜获得的精度更高的数据支持一个浅浅的碗口外壁模型。项目组科学家马丁·怀特表示,这一结果可以将现有70%的凹面模型排除在外。不过目前仍然有一些细节方面的问题尚未弄清,比如暴涨加速的过程究竟是沿着碗壁螺旋上升还是直线上升?到目前为止没有人能够回答这样一个大问题:暴涨究竟为何会发生?然而有了普朗克望远镜提供的最新数据,科学家们将可以在此基础上提出一些新的假设。

怀特表示:“我们毫无疑问知道犯罪案件的存在,但是我们在侦破案件的过程中遇到了困难,直到福尔摩斯告诉我们这件事情究竟是怎么一回事。”

邪恶轴心

普朗克望远镜为我们带来的另外一件礼物——如果可以被称作礼物的话——那就是一大堆的异常,其中就包括宇宙学家们所谓的“邪恶轴心”(配图中的白色线)。如果暴涨遵循最简单的路径,那么宇宙应当在各个方向上处处相同,宇宙中热点和冷点的分布应当是随机的,但是此前的观测结果便已经确认了,观测到的实际情况并非如此。

这些异常之中最大的异常似乎就是一条明显的分界线,它将表现较小温度差异的区域与表现较大温度差异的区域隔离开来,宇宙学家们将其称为“邪恶轴心”,原因是因为这条线诡异地和太阳系的黄道平面相吻合。

从“邪恶轴心”的名称上就可以看出,很多宇宙学家厌恶这种现象。他们认为这种诡异的重合说明这是一种人为的观测误差效应,它可能与我们观测宇宙微波背景辐射现象时采用的方式有关。因此这些科学家热切的希望来自普朗克望远镜的更高精度的数据中将消除这一“邪恶轴心”的影响。但是他们等来的却是相反的坏消息。普朗克的高精度观测证实了邪恶轴心的结构的确存在,这就意味着这一现象并非是由于银河系或太阳系尘埃效应或者是望远镜观测误差所导致的偏差效应。

普朗克项目组成员科兹托夫·戈尔斯基指出,普朗克的最新数据显示这一邪恶轴心的走向并非像此前认为的那样与太阳系平面高度重合,但是科学界仍然需要解释这一界限存在的原因,如它是否有可能是早期宇宙中的一个结构团块,造成了宇宙在暴涨过程中形成了某种对称结构?亨特表示:“如果真的能找出某种基本的,源自早期宇宙的深层机理,那将是棒极了的!”

惨烈的结局

在此前精度较低的观测中还有一个引起宇宙学家关注的异常也在更高精度的普朗克观测结果中继续存在,那就是一个大型的低温区域(配图中白线圈出的区域),它被认为可能是另一个宇宙存在的证据。多重宇宙的想法在宇宙学中存在已久,但是一直没有得到证实。当这个异常的低温区域出现在宇宙微波背景辐射(CMB)图像中时,一部分宇宙学家提出这可能是我们所处的宇宙与另外一个宇宙相互碰撞的产物。

朗克望远镜获得的高精度数据或许也将揭示我们宇宙未来的命运。此次探测结果中的一项便是更新了宇宙膨胀加速度的数值。宇宙的膨胀加速度是由一个参数,即哈勃常数来描述的。在此之前这一数值是通过对一类特殊的恒星,即造父变星的观测获得的,这样获得的数据让我们得以了解宇宙在过去和现在的膨胀速度。而对宇宙微波背景辐射的观察则开启了另外一扇大门,让我们得以一窥宇宙从其最初开端以来的膨胀速度。

如果宇宙的膨胀加速度保持恒定(事实上现有的理论通常也是这么认为的),那么通过造父变星和通过宇宙微波背景辐射得到的观测结果应该是可以相互吻合的。但实际情况却并不是这样。对此,一种可能的解释是导致宇宙加速膨胀的暗能量的密度有可能是随时间增加的,这样导致的结果将是整个宇宙最终在“大撕裂”中灭亡,而不是现在很多学者所认为的“热寂死亡”。

怀特表示:“这真是非常激进的观点,但是它的确是在我们探索这个问题的过程中必须要考虑的可能性之一。”

惰性中微子和引力波

普朗克探测器的最新结果已经否决了惰性中微子假说的可能性。这种设想中的粒子是理论物理学家们提出来用以解释暗物质成分的。根据普朗克的探测结果,暗物质构成了宇宙中所有物质总量的大约84.5%。

此前的宇宙微波背景辐射探测已经证明宇宙比原先设想的更加平滑。这就给所谓的“惰性中微子”留出了存在的空间。物理学家们设想这是一种比传统的三种中微子,即电子中微子、μ中微子和τ中微子更加难以捉摸,因此它可以将能量从宇宙的一处传递到另一处而不会像普通物质那样受到阻碍。然而此次普朗克给出的最新的更高精度的结果证明宇宙的粗糙程度完全可以用三种中微子来解释,不需要用到第四种中微子类型。

最后,这份生日大礼包里还夹带着一张欠条:普朗克望远镜之后将会进一步发布数据,提供宇宙微波背景辐射在不同方向上,即偏振方向的震荡分布地图。这将提供宇宙在早期膨胀阶段产生引力波的线索。而这些都是爱因斯坦广义相对论中所预言的关键性部分,但到目前为止我们对此仍然了解甚少。目前为止普朗克望远镜已经收集了这些偏振数据,按计划欧洲空间局将在明年年初对外发布。

新数据揭示宇宙命运:或在大撕裂中灭亡
普朗克最新数据绘制的宇宙微波背景辐射地图,可以看到神秘的“邪恶轴心”(白色线)以及诡异的低温区域(白色圈出),宇宙学家们认为后者可能是另一个宇宙与我们所在宇宙之间的碰撞产生的结果

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