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普朗克卫星  

2009-05-11 14:02:22|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(以下是《新发现》专栏,勿转)

数年来,高能物理学界和宇宙学界最为期待的是大型强子对撞机的启动和普朗克卫星的发射,因为这两大实验和观测仪器将可能分别给两个领域带来革命性的发现和变化。

大型强子对撞机的启动和普朗克卫星的发射本来都计划在去年完成,前者因一些磁铁故障推迟到今年九月份,后者也被一再推迟。普朗克卫星本来推迟到4月 29日发射,又被推迟到5月14号。现在,普朗克卫星和她的姐妹卫星赫歇尔卫星已经被装载到Ariane五号火箭,预期格林威治时间5月14号下午1点 12分发射,发射地点是欧洲航天港法属圭亚那(位于南美的北海岸)。赫歇尔卫星和普朗克卫星发射后很快分离,独立地飞往目的地。它们的的目的地都是所谓的 第二拉格朗日点,位于太阳和地球的连线上,但在地球轨道的外侧,距地球一百五十万公里,比月亮还要远得多。其实,普朗克卫星的科学前任,美国的WMAP卫 星早己在第二拉格朗日点上运行7年多了。我们没有必要担心这些卫星会碰撞,因为它们不在严格的第二拉格朗日点上,而是在围绕第二拉格朗日点的轨道上。在发 射之后的三个月内,普朗克和赫歇尔将到达第二拉格朗日点。

赫歇尔是一台远红外望远镜,高7.5米,宽4米,望远镜直径为3.5米。其科学目标是宇宙早期的结构的形成,以及最早的恒星和其它红外线源。赫歇尔也将观测银河系内的一些非常冷的目标,如形成恒星和行星的星际气体,甚至彗星、行星和卫星外围的气体。

普朗克卫星的科学目的比赫歇尔更加“基本”。它是WMAP的继承者,所以主要科学目标是测量宇宙大爆炸的遗迹微波背景辐射。更加准确地说,是测量微波背景辐射微弱的涨落。普朗克卫星预计至少工作14个月。

我们知道,微波背景辐射的温度大约是2.725开尔文,已经获得诺贝尔奖的COBE卫星在上世纪90年代初探测到微波背景辐射的涨落,即温度在不同 的方向略有不同,涨落只有十万分之一。这些涨落是如何产生的?流行的理论是非常惊人的:在物质产生之前,宇宙经历了一个急速膨胀时期,这个时期虽然非常短 暂,但宇宙被放大了10^{26}倍。 这个过程叫做暴涨宇宙,虽然暴力和乏味,但在这个过程中产生的微弱的量子涨落因为引力的原因被固定下来,成为后来微波背景辐射涨落的起源和一些结构的起源 (包括星系和星系团)。为了验证这个理论,WMAP已经运行了近8年,收集了大量的数据。这些数据支持暴涨理论,却不能完全肯定暴涨理论是正确的。原因很 简单,虽然我们获得了大量的宇宙婴儿期的信息,这些信息没有多到可以让我们看到确切无误的暴涨过程。即使如此,WMAP的结果已经帮助宇宙学家们计算宇宙 年龄,暗物质的比重,暗能量的比重和一些其他重要宇宙学数字。

WMAP卫星的微波探测器可以五个波段的微波涨落,最短的波段是3.2毫米(W波段),最长的波段是13毫米(K波段)。探测五个波段不仅是为了相 互印证,也是为了将自银河系的一些邻近微波源的辐射区别出来。探测器不仅测量强度,还能测量光子的偏振。强度涨落固然包含大量的早期宇宙信息,偏振同样携 带很多早期宇宙信息,并且是强度本身无法看出的信息。

为了解释我们看到的宇宙中的大尺度结构以及微波背景辐射涨落,理论家们提出了很多不同的暴涨宇宙模型,有些模型甚至与大统一理论(统一引力和其他 力)有关。理论家们最有想象力,除了暴涨宇宙外,他们还提出了周期性地膨胀和收缩宇宙模型,以及光速在早期宇宙可变的模型。这些模型都声称可以像暴涨宇宙 一样解释我们看到的一切,但WMAP的数据量和精度还不足以帮助我们排除各种各样的暴涨模型以及周期模型。这样,几乎所有人都将希望寄托在普朗克卫星上。

普朗克卫星携带两个探测器,一个是低频的,一个是高频的。两个探测器使用的仪器类型是不同的,它们不仅探测强度,也探测光子的偏振。低频探测器有三个波段,范围类似WMAP的探测器。高频探测器有6个波段,最长的波段接近低频部分,最短的波段的波长只有低频的十分之一。

为了解决WMAP无法解决的科学问题,普朗克探测器的灵敏度比WMAP要好十倍(可以探测百万分之一的强度变化)。灵敏度是一个亮点,另一个亮点是 采用了两个不同类型且波段不同的探测器,这样就会降低探测器本身带来的所谓系统偏差(系统偏差是科学实验中的主要误差来源之一)。

我们几次强调光子的偏振,这些偏振携带重要的早期宇宙的信息。偏振可以分为两类,一类叫E模,很类似电场模,一类叫B模,类似磁场模。我们知道,磁 场效应往往弱于电场效应,所以WMAP只探测到了E模,没有探测到B模。宇宙学家们期待,普朗克将探测到B模,而B模是早期涨落中引力波的部分。探测到B 模不仅可以帮助我们区别不同的暴涨理论以及其他理论,甚至间接地验证了引力波的存在。

到目前为止,宇宙原始涨落都被认为是高斯型涨落,这是一种最为普遍的涨落。任何较大的偏离高斯性涨落将是宇宙早期新物理的信号,宇宙家们也期待,普朗克卫星将会探测到偏离高斯性的涨落。

普朗克小组的一位科学家Andrew Jaffe说,普朗克的第一法规和第二法规都是,你在分析完数据得到科学结论前,不能谈论普朗克。所以,我们就耐心等待吧。

Ariane 5 号

ariane5.jpg

Herschel卫星

herschel.jpg

普朗克卫星

plancksatellite.jpg

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