“普朗克”没有发现宇宙异常的新证据
老胡说科学2019-06-07 07:06
宇宙微波背景的各向异性。宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的光的快照，当宇宙只有38万年的时候，它就印在了天空中。它显示了与密度略有不同的区域相对应的微小温度波动，代表了所有未来结构的种子：今天的恒星和星系。这个序列的第一个视图显示了CMB在普朗克获得的全分辨率下的温度各向异性。欧洲航天局的普朗克卫星没有发现新的证据来解释其宇宙温度图中出现的令人费解的宇宙异常现象。最新的研究并没有排除这些异常现象的潜在相关性，但它们确实意味着天文学家必须更加努力地去理解这些令人困惑的特征的起源。
普朗克的最新结果来自于对宇宙微波背景辐射(CMB)极化的分析。宇宙微波背景辐射是宇宙历史上最古老的光，在宇宙只有38万年的时候被释放出来。
2013年，这颗卫星公开了最初的分析结果，主要针对的是这种辐射在天空中的温度。这使得天文学家能够研究宇宙的起源和演化。虽然普朗克的第一幅图基本上证实了宇宙演化的标准图景，但它也揭示了一些在宇宙学标准模型中难以解释的异常现象。
这些异常是天空中出现在大角度尺度上的模糊特征。它们肯定不是卫星行为或数据处理过程中产生的人工制品，但它们非常微弱，可能是统计上的侥幸波动——这种波动极为罕见，但并非完全被标准模型排除在外。
或者，这些异常现象可能是“新物理学”的一个标志，“新物理学”指的是尚未被承认的自然过程，它将扩展已知的物理定律。
宇宙近140亿年历史的总结，特别显示了促成宇宙微波背景(CMB)的事件。插图上半部分的时间轴显示了宇宙大尺度演化的艺术观点。从通货膨胀中描述的过程，短暂的宇宙加速膨胀的时代，经历了第二个旧的一小部分时，宇宙微波背景的释放，我们的宇宙中最古老的光，从“黑暗时代”到第一批恒星和星系的诞生，这些恒星和星系在宇宙几亿年前重新电离了宇宙，一直到现在。这个信号是迄今为止对所谓的CMB极化电子模式的最好测量，可以追溯到宇宙中第一个原子形成和CMB释放的时候。它是在电子聚集成氢原子之前，光从电子粒子上散射而产生的。
两极分化提供了对宇宙微波背景辐射的一种几乎独立的看法，因此，如果这些异常现象也出现在宇宙微波背景辐射中，这将增强天文学家的信心，他们相信这些异常可能是由新物理学引起的，而不是统计上的侥幸。
虽然普朗克最初的设计不是为了关注极化，但它的观测结果已被用来绘制迄今为止最精确的宇宙微波背景辐射极化的全天空地图。这些在2018年发表，极大地提高了普朗克在2015年发布的第一张极化图的质量。
普朗克小组研究这些数据时，没有发现明显的异常迹象。今天发表在《天文学与天体物理学》杂志上的这份分析报告，充其量只能揭示出一些微弱的迹象，表明一些异常现象可能存在。
“普朗克的偏振测量非常棒，”欧洲航天局普朗克项目科学家简·陶伯(Jan Tauber)说。
“然而，尽管我们拥有大量数据，却没有发现任何明显的异常迹象。”
从表面上看，这似乎使异常更有可能是统计上的侥幸，但实际上，这并不排除新物理学的可能性，因为自然可能比我们想象的更棘手。
到目前为止，还没有令人信服的假说来解释是什么样的新物理现象导致了这些异常现象。因此，可能是这种现象只影响CMB的温度，而不影响极化。
从这个角度来看，虽然新的分析没有证实新的物理学正在发生，但它确实对它施加了重要的限制。
在CMB温度图中出现的最严重的异常是在天空中大角度尺度下观察到的信号的缺失，大约5度——作为对比，满月的跨度约为0.5度。在这些大尺度下，普朗克的测量结果比宇宙学标准模型预测的要弱10%左右。
普朗克还证实，高统计信心，其他异常特征，暗示了在以前的观察宇宙微波背景辐射温度，如信号的一个重要差异观察两种截然相反的半球的天空，和一个所谓的“冷点”——一个大，低温点与异常陡峭的温度曲线。
“我们在第一次发布时表示，普朗克将利用其极化数据测试异常。这篇新论文的作者之一、来自美国加州理工学院喷气推进实验室的Krzysztof M. Gorski说：“我们在2018年发布了第一套足够清晰的偏振图，现在我们有了结果。”
欧洲航天局普朗克卫星观测到的宇宙微波背景(CMB)温度图。波动在宇宙微波背景辐射是由普朗克现在和观察到非常小的角尺度，这些图像过滤显示主要是信号检测在天空中相当大的规模，约5度和更大——作为对比，满月直径约半度。在这些大尺度上，CMB温度中观察到许多异常现象——这些特征在宇宙学的标准模型中很难解释，该模型基于这样的假设，即在大尺度上，宇宙在所有方向上都具有相同的属性。最严重的异常是在5度范围内观测到的信号缺陷，比预测的弱10%左右。不幸的是，新的数据并没有使争论进一步，因为最新的结果既没有证实也没有否认异常的性质。
“我们有一些提示，在两极分化地图，有权力不对称相似中观察到的温度地图，尽管它仍然是统计上没有说服力，”
虽然将对普朗克的结果进行进一步分析，但它们不太可能在这个问题上产生重大的新结果。取得进展的明显途径是进行一项专门设计和优化的任务，研究宇宙微波背景辐射的两极分化，但这至少是未来10至15年的事情。
“普朗克给了我们至少十年来最好的数据，”来自法国图卢兹天体物理和行星研究所的安东尼·班迪说。
与此同时，异常现象的谜团仍在继续。
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