當(dāng)?shù)貢r間2013年3月21日抓狭，歐洲航天局公布了普朗克空間望遠(yuǎn)鏡在15個月內(nèi)拍攝的圖像习贫。這些圖像可證明宇宙起源于大爆炸的理論粟害，但圖像也包含了與宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一些成分相抵觸的細(xì)小差異甚疟，例如被認(rèn)為激發(fā)了大爆炸的“暗能量”比以前所知的要少茫陆。 圖為普朗克衛(wèi)星與上一代衛(wèi)星WMAP探測結(jié)果的精度對比金麸。圖片來源：歐洲空間局
沒有什么謎語比寫在天上的更加巨大了。我們的宇宙存在了多長時間盅弛？它由什么組成钱骂？宇宙中的結(jié)構(gòu)是怎么一步一步地形成的？這些不同的能量成分的起源是什么挪鹏？最后见秽，時間和空間的本質(zhì)是什么？
最近歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星讓我們更加接近了這些巨大謎語的答案讨盒。
最近十年來解取，宇宙學(xué)家掌握的宇宙的細(xì)節(jié)超出了過去整個宇宙學(xué)史所掌握的，幾乎可以給出一個精確的宇宙進化史返顺，只剩下不多的細(xì)節(jié)了禀苦。各種不同的天文學(xué)觀測手段對我們的知識做出了貢獻蔓肯，宇宙學(xué)家尤其喜歡談?wù)揥MAP，這是一個在太空中觀測宇宙中無所不在的射電信號的航天器振乏。
這兩年蔗包，大家的注意力和談話內(nèi)容轉(zhuǎn)移到了歐洲發(fā)射的普朗克衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星的壽命雖然比WMAP短慧邮，但造價更高调限，能力更強。2013年3月21日误澳，歐洲航天局和普朗克衛(wèi)星科學(xué)工作組第一次發(fā)布了研究成果耻矮，全世界的宇宙學(xué)家正忙于解讀這些成果。
最初的宇宙學(xué)
哥白尼伽利略牛頓解開太陽系之謎之后忆谓，天文學(xué)家和物理學(xué)家是上世紀(jì)才慢慢解開宇宙之謎的裆装。
哈勃等人先發(fā)現(xiàn)銀河系不是整個宇宙，后來倡缠，哈勃又發(fā)現(xiàn)銀河系之外的遙遠(yuǎn)的天體相對我們作退行運動哨免。哈勃用類似的方式發(fā)現(xiàn)了河外星系和宇宙膨脹，但他得出的宇宙膨脹速度比現(xiàn)在大了近十倍毡琉，這和當(dāng)時測量距離的粗糙方式有關(guān)铁瞒。即使測量非常不準(zhǔn)確妙色，但不妨礙他的定性結(jié)論的正確性：遠(yuǎn)離我們的星系相對我們的退行速度與距離成正比桅滋。
自然，理論家總是歷史中的先知身辨。在哈勃發(fā)現(xiàn)哈勃定律之前的十年丐谋，第一代宇宙學(xué)家在愛因斯坦的時空理論的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的規(guī)律，亞歷山大·弗里德曼在1922年從愛因斯坦方程解出宇宙膨脹解煌珊，1927年号俐，工程師兼神父勒梅特也發(fā)現(xiàn)了膨脹宇宙解，他干脆建議宇宙起源于一個原初“原子”定庵，起源于這個原初“原子”的大爆炸吏饿。勒梅特的理論非常接近宇宙學(xué)的現(xiàn)代理論了。
當(dāng)然蔬浙，最先研究宇宙學(xué)的還是愛因斯坦猪落，可惜他引進了一個靜態(tài)宇宙，為了這個靜態(tài)宇宙畴博，他還引進了“宇宙學(xué)常數(shù)”笨忌，這個常數(shù)現(xiàn)在普遍被稱為暗能量，因為在愛因斯坦那里俱病，這個常數(shù)就是真空能量官疲，在現(xiàn)代宇宙學(xué)理論中袱结，這個能量可能更加復(fù)雜，不只是一個常數(shù)途凫。它是不是常數(shù)垢夹，現(xiàn)在還是一個巨大的難題。
大爆炸理論
在更大的尺度上维费，宇宙雖然在膨脹棚饵，但天體的退行速度不嚴(yán)格遵循哈勃定律。宇宙的膨脹速度與宇宙中的能量組成有關(guān)掩完，例如噪漾，普通物質(zhì)使得宇宙膨脹的速度慢慢變慢，而暗能量會引起無所不在的斥力且蓬，使得宇宙膨脹的速度慢慢變大欣硼。當(dāng)然，由于愛因斯坦的時空理論恶阴，不論在哪種情形诈胜，非常遙遠(yuǎn)的天體的退行速度不嚴(yán)格與距離成正比，宇宙學(xué)家有一整套公式可以用來計算這些退行速度冯事。
正是由于我們對理論的熟知焦匈，導(dǎo)致1990年代末發(fā)現(xiàn)暗能量，此時昵仅，哈勃用的造父變星已經(jīng)不夠用了缓熟，天文學(xué)家用非常遙遠(yuǎn)的超新星確定了宇宙膨脹的速度在加速！這個發(fā)現(xiàn)震撼了整個天文界和物理界摔笤，發(fā)現(xiàn)的三個主要人物在2011年獲得諾貝爾物理學(xué)獎够滑。
在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹之前，物理學(xué)家早就建立了當(dāng)時認(rèn)為的成熟的宇宙學(xué)吕世。這個宇宙學(xué)理論認(rèn)為彰触，我們的宇宙起源于一個發(fā)生在大約一百億年前的大爆炸。在發(fā)生大爆炸的時候命辖，宇宙還很小况毅，物質(zhì)密度異常高，也沒有天體尔艇，只有一鍋等離子原始電漿尔许，里面什么粒子都有。
這個理論是伽莫夫等人在1948年就提出來的漓帚，他們預(yù)言了幾個輕元素在宇宙中的豐度母债，還預(yù)言了宇宙中無所不在的射電波，后來被稱為宇宙微波背景輻射。直到1964年毡们，這些射電波才偶然被新澤西州的一架天線接收到迅皇，接收到電波的兩位物理學(xué)家雖然打算用射電研究天文學(xué)，卻壓根沒有想到大爆炸宇宙學(xué)衙熔。
雖然伽莫夫的同伴阿爾法等人足夠先知登颓，他們計算的宇宙微波波長還是稍稍短了些，或者說红氯，溫度稍稍高了些框咙，大約是5開爾文（高出絕對零度5度），實際發(fā)現(xiàn)的溫度是2.7開爾文痢甘，與普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家迪吉（Robert Dicke）的計算很接近喇嘱。當(dāng)我們說微波輻射有溫度的時候捞烟，就是說這些微波射電就像來自一個燒熱的爐子匆背，特點是射電在每個方向都有，而且波長有一定的分布域仇。這些微波射電是一百多億年前發(fā)生的那場大爆炸的遺跡放椰。
更加詳細(xì)的歷史是這樣的作烟，當(dāng)宇宙中充滿各種各樣的粒子時，光子也在其中砾医，它們的溫度都是一樣的拿撩。這鍋電漿的溫度隨著宇宙膨脹慢慢冷卻，當(dāng)溫度降低到大約三千度時如蚜，電漿中的電子和原子核就復(fù)合成原子压恒，它們不再阻礙光子了，宇宙變得透明怖亭，那時涎显，宇宙的大小只有現(xiàn)在的一千分之一，年齡大約是38萬年兴猩。38萬年與現(xiàn)在的年齡138億年相比，大約是兩秒鐘與一天相比早歇。宇宙變得透明之后倾芝，物質(zhì)和光子就各管各的，光子慢慢冷卻變成現(xiàn)在的宇宙微波背景輻射箭跳，溫度也從三千度下降到現(xiàn)在的2.7255開爾文晨另。
愛因斯坦是現(xiàn)代宇宙學(xué)之父。圖片來源：wordpress.com
大爆炸之前還有大爆炸
當(dāng)我引用2.7255這個數(shù)字的時候谱姓，其實我是在引用普朗克衛(wèi)星最近發(fā)布的數(shù)據(jù)借尿。要了解普朗克衛(wèi)星到底做了什么，我們先從這顆衛(wèi)星的“祖父”COBE談起。
COBE是微波背景輻射探險者的簡稱（Cosmic Background Explorer）路翻，是美國航天局在1989年發(fā)射的專門用于探測宇宙大爆炸遺跡微波射電的衛(wèi)星狈癞。這顆衛(wèi)星早在1977年就計劃發(fā)射了，這比我上大學(xué)還早了一年茂契，1981年開始制造蝶桶，也比我大學(xué)畢業(yè)讀研究生早了一年，但它探測的科學(xué)結(jié)果要等到1992年才能得到掉冶，那時真竖，我已經(jīng)在加州大學(xué)做博士后了。
美國人為什么制造和發(fā)射這顆衛(wèi)星?其實厌小，在制造這顆衛(wèi)星的前一年恢共，宇宙學(xué)家阿倫·古斯提出了一個異想天開的理論。他覺得璧亚，宇宙微波背景輻射在我們能夠看到的巨大的宇宙中的均勻性需要一個理由旁振，而這個理由不包含在宇宙大爆炸理論中。在宇宙大爆炸之前涨岁，應(yīng)該還有一個更大的爆炸拐袜，持續(xù)時間非常短，比任何不穩(wěn)定基本粒子的壽命都要短梢薪，比如說蹬铺，大約只持續(xù)了10-34秒或稍長，在這個不可思議的短時間之中秉撇，宇宙的大小膨脹了至少1026倍甜攀。由于這種巨大的膨脹，即使宇宙本來不均勻琐馆，膨脹之后也變得均勻了规阀。
這個理論上的極短時間叫做暴漲期，它解釋了宇宙為什么是均勻的瘦麸。當(dāng)然谁撼，雖然微波背景輻射很均勻，宇宙的其他能量如物質(zhì)并不均勻滋饲，我們能夠看到太陽系以及其他無數(shù)顆恒星厉碟，由上千億顆恒星組成的銀河系以及類似銀河系的其他星系，這些結(jié)構(gòu)是怎么來的屠缭？非常好玩的是箍鼓，在COBE的建造過程中，物理學(xué)家用古斯的理論做了計算呵曹，發(fā)現(xiàn)暴漲期正好也可以解釋這些結(jié)構(gòu)的起源款咖，同時還預(yù)言了微波背景輻射有微小的不均勻性何暮。
COBE發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射的不均勻性，這些微小的不均勻性非常小铐殃，只有十萬分之一左右海洼，這就像我們坐在飛機上看大海，大海的表面基本上是平的背稼。COBE的發(fā)現(xiàn)非常重要贰军，它暗示宇宙在大爆炸之前還發(fā)生過更加不可思議的大爆炸，后來的大爆炸只不過是更加劇烈爆炸的延續(xù)蟹肘。COBE的發(fā)現(xiàn)后來在2006年被頒發(fā)了諾貝爾物理學(xué)獎词疼。
更多的細(xì)節(jié)
COBE帶來的成功鼓舞了美國的物理學(xué)家和天文學(xué)家，緊接COBE的成功帘腹，他們在1995年建議再發(fā)射一顆衛(wèi)星贰盗，目的還是探測微波背景輻射的不均勻性。
為什么還要發(fā)射一顆阳欲？這是因為舵盈，既然微波背景輻射在宇宙只有38萬年大的時候就存在了，它一定含有宇宙歷史的重要信息球化，既然它的不均勻性是宇宙在開端的極短時期留下的秽晚，它同時也帶著宇宙起源的信息。COBE雖然發(fā)現(xiàn)了不均勻性筒愚，但數(shù)據(jù)實在粗糙赴蝇，就像一張聚焦不好的嬰兒照片，我們從照片可以判斷這是個嬰兒巢掺，但我們還說不好他到底長得如何句伶，所以要再發(fā)射一顆性能更好的衛(wèi)星去拍一張更加清晰的照片。
當(dāng)然陆淀，拍照片只是一個比喻考余，真正的觀測要復(fù)雜得多。COBE的繼承者叫WMAP轧苫，與COBE不同的是楚堤，它遠(yuǎn)離地球達150萬公里（比月亮遠(yuǎn)多了，月亮距地球的平均距離是38萬公里）浸剩。這顆衛(wèi)星2001年發(fā)射钾军，經(jīng)過一個復(fù)雜的路徑旅行了三個月到達了指定地點。與這顆衛(wèi)星有關(guān)的科學(xué)家小組非常努力绢要，幾個月之內(nèi)就分析了衛(wèi)星傳回來的第一年觀測數(shù)據(jù)，在2003年2月就發(fā)表了科學(xué)結(jié)果拗小，從此重罪，很多宇宙學(xué)家就圍繞WMAP衛(wèi)星的結(jié)果工作了將近十年，包括我自己。我在2003年6月就發(fā)表了一篇理論論文剿配，解釋其中的一個觀測結(jié)果搅幅。WMAP的有效觀測時間長達9年，幫助我們弄清了很多宇宙歷史的細(xì)節(jié)呼胚。
前面我們提到茄唐，WMAP衛(wèi)星被送到遠(yuǎn)離地球150萬公里的地方，為什么要這么遠(yuǎn)蝇更？因為沪编，我們希望WMAP能夠精確測量宇宙微波背景輻射的微小不均勻性，這就需要排除很多干擾年扩，特別是來自太陽的干擾蚁廓。如果衛(wèi)星能夠在地球的掩護下繞著太陽運動，并且與地球同步厨幻，這個目的就容易達到相嵌。正好，在離地球150萬公里的地方况脆，有這么一個點饭宾，在那里，衛(wèi)星可以與地球同步繞著太陽轉(zhuǎn)格了，同時躲在地球的后面看铆。COBE因為在地球軌道上運轉(zhuǎn)，測量精度也不算高笆搓，花費只有數(shù)千萬美元性湿，而WMAP的花費達到一億五千萬美元。
普朗克衛(wèi)星證實了宇宙“邪惡軸心”和大暗斑的存在满败》羝担“邪惡軸心”是指，宇宙微波背景輻射的平均溫度在某個半球（曲線左上側(cè)）要比另一個半球（曲線右下側(cè)）略低一些算墨，而“標(biāo)準(zhǔn)模型”預(yù)言宵荒，不論朝任何方向看去，宇宙都應(yīng)該大致相同才對净嘀。南半球還有一塊冷斑尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期（右下圈出部分）报咳，同樣無法用“標(biāo)準(zhǔn)模型”來解釋。圖片來源：tumblr.com
更精確的結(jié)果
歐洲航天局也早在1990年代就準(zhǔn)備造一顆類似WMAP的衛(wèi)星挖藏，用著名物理學(xué)家普朗克命名暑刃，在WMAP的觀測進入尾聲的時候發(fā)射。這顆衛(wèi)星最后造價達到空前的七億歐元膜眠，在2009年發(fā)射岩臣。
普朗克從2009年8月開始掃描全天空的射電信號溜嗜，包括古老的微波背景輻射，來自我們銀河系的射電架谎，河外活動星系核發(fā)出的射電以及紅外光炸宵，我們的太陽系中各種天體的射電輻射。歐洲人的技術(shù)完全超出了我們的想象谷扣，本來他們計劃讓這顆衛(wèi)星的全波段掃描工作一年半土全，結(jié)果工作時間是預(yù)期的時間的兩倍多。2012年1月13日会涎，衛(wèi)星上用于冷卻的氦3才被用完裹匙，一些觀測不得不結(jié)束，現(xiàn)在在塔，這顆衛(wèi)星還在用不需要高度冷卻的低頻部分觀測幻件。
剛剛公布的結(jié)果證實了WMAP的觀測，精度更高了蛔溃。例如绰沥，宇宙年齡是138億年，組成恒星贺待、星系和星系間的物質(zhì)占4.9%徽曲，而更多的則是看不見的暗物質(zhì)，占26.8%麸塞，導(dǎo)致宇宙膨脹加速的暗能量占68.3%秃臣，而我們用來分析宇宙史的微波輻射僅僅占總能量的萬分之一不到。以上這些數(shù)字都與WMAP給出的數(shù)字稍有不同哪工，我們不能小看這些些微的不同奥此，也許，結(jié)合其他天文觀測手段雁比，新數(shù)字將會給我們帶來意想不到的結(jié)果稚虎，例如，也許暗能量像其他宇宙中的能量組成一樣偎捎，是變化的蠢终。
“邪惡軸心”
是不是可以說，普朗克衛(wèi)星除了更加精確茴她，并沒有任何新的發(fā)現(xiàn)呢寻拂？當(dāng)然不能這么說。普朗克衛(wèi)星似乎確定丈牢，宇宙存在一個“邪惡軸心”祭钉。在這個邪惡軸心的兩邊，宇宙微波背景的漲落稍有不同己沛，難以用宇宙學(xué)家設(shè)計的“標(biāo)準(zhǔn)模型”來理解朴皆。另外帕识，在南半球泛粹，似乎存在一個大冷斑遂铡，同樣無法用“標(biāo)準(zhǔn)模型”來解釋。魔鬼在細(xì)節(jié)中晶姊，對這些反常細(xì)節(jié)的研究扒接，或許將揭示關(guān)于宇宙更加驚人的秘密。
我總覺得们衙，“邪惡軸心”存在的理由钾怔，一定超出了即使是宇宙學(xué)家的想象力，而給科幻作家提供了素材蒙挑。
普朗克衛(wèi)星剛剛公布了15.5個月的觀測結(jié)果宗侦，它的全波段觀測用了29個月，所以還有一半的數(shù)據(jù)等著分析忆蚀。另外矾利，對于宇宙學(xué)專家們更為重要的是，普朗克還沒有公布對射電信號偏振的分析馋袜，這些分析可能會告訴我們在那個極短的暴漲期宇宙到底發(fā)生了什么男旗。
