普朗克的天文卫星如何永远改变我们对宇宙的认识


由于有了新的卫星图像,详细记录了“大爆炸”的残留辉光一直在稳定增长。 普朗克卫星的最新最终结果为我们提供了最准确的宇宙图景。

自人类发现来自天空各处的均匀的低能量微波辐射流以来,已经过去了50多年。 它不是来自地球,不是来自太阳,甚至不是来自银河系。 它来自我们所观察到的任何恒星或星系之外的地方。 尽管他的发现者起初并不了解他的意思,但一群离他们不远的物理学家已经在进行一项实验,以精确地寻找这一特征:大爆炸的理论残余辉光。

首先,它被称为原始火球,然后我们将其称为遗留辐射(RI)[ 或宇宙微波背景,宇宙微波背景(CMB)/大约。 佩雷夫 ],其性能已被最小化了。 其性能最先进的观测站是2009年发射 欧洲航天局 天文卫星普朗克 。 卫星收集了数年的完整数据,科学家们刚刚完成并发表了他们的最终分析结果。 这就是他永远改变我们对宇宙的看法的方式。


来自RI的Big Bang的残余发光不是均匀的,并且具有几百个微开尔文范围内的许多微小缺陷和温度波动。 尽管这在重力增长后的过程中起着重要作用,但重要的是要记住,在早期的宇宙以及我们当今的大规模宇宙中,异质性的值仅达到0.01%。 普朗克以前所未有的精度发现并测量了这些波动。

这张关于婴儿期的照片,显示了她只有380,000岁时发出的光,是有史以来最好的。 在1990年代初期, COBE卫星为我们提供了第一种方法,即整个天空的RI地图,其分辨率约为7度。 大约10年前, WMAP可以将分辨率提高到一半。

那普朗克呢? 木板是如此敏感,以至于它的局限性不是由能够以高达0.07°的分辨率工作的仪器引起的,而是由宇宙本身的基本天体物理学引起的! 换句话说,在宇宙发展的这个阶段,不可能获得比普朗克成功更好的图像。 增加分辨率不会给您更多有关空间的信息。


第一个RI卫星COBE以7º的分辨率测量了波动。 WMAP设法在五个不同的频率范围内将分辨率提高到0.3°,而Planck在九个不同的频率范围内进行的角度测量精度最高为5分钟(0.07°)。

而且,普朗克能够在比以前的任何其他卫星都更大的频率范围(总共九个)中测量这种辐射及其波动。 COBE有四个范围(只有三个有用的范围),WMAP有五个。 COBE可以测量高达70μK的温度波动; 普朗克能够将精度提高到5μK。

高分辨率,测量此光偏振的能力以及各种频率范围,使我们比以往任何时候都更好地了解,测量和消除了尘埃在银河中产生的影响。 要了解“大爆炸”的残留辉光,有必要以同样的精度研究可能污染所需信号的那些影响。 在检索任何宇宙学信息之前必须完成此步骤。


普朗克获得的银河系的完整尘埃图显示了银河中尘埃分布的二维低分辨率图。 必须减去此“噪声”以重建我们的背景史前宇宙信号。

从早期宇宙收到完整的信号后,就可以对其进行分析并提取所有可能的信息。 这意味着从发生在大,中,小规模的温度波动中提取信息,例如:
  • 宇宙中有多少正常物质,暗物质和暗能量,
  • 密度波动的初始分布和频谱是什么,
  • 宇宙的形状和曲率是什么?


热点和冷点的温度值及其标度指示了宇宙的曲率。 我们最好的尺寸为我们提供了一个平坦的宇宙。 重音声振荡和RI一起提供了将这种测量的误差限制在0.1%之内的最佳方法。

发生在不同尺度上的事情并不相互依赖,但在很大程度上取决于宇宙的组成。 我们还可以研究这种辐射的偏振特性,并获得更多信息,例如:
  • 宇宙发生电离时(相应地,恒星的形成达到一定阈值),
  • 是否有超出地平线范围的波动,
  • 我们可以看到引力波作用的结果吗?
  • 一次中微子的数量和温度

还有更多。 尽管我们获得的RI温度仍然保持在2.725 K的水平,但几十年来我们知道的更多信息。 考虑到所有这些,这就是普朗克永远改变了我们对宇宙的理解。


普朗克卫星数据以及其他数据集为我们提供了对宇宙学参数可能值的严格限制。 特别是,哈勃望远镜的膨胀率范围从67到68 km / s / Mpc。

宇宙中有更多的物质,其膨胀率比我们想象的要小。 在普朗克之前,我们相信宇宙中有26%的物质和74%的暗能量,并且膨胀速度约为70 km / s / Mpc。

现在呢?

在宇宙中,有31.5%的物质被证明是正常的(其中4.9%是正常的,其余的都是黑暗的),有68.5%的物质是暗能量,膨胀速度为67.4 km / s / Mpc。 此外,速度的误差很小(〜1%),与基于距离空间楼梯进行的 测量相冲突,距离为73 km / s / Mpc。 这也许是与现代宇宙概念有关的最大矛盾。


调整中微子种类的数量以匹配RI波动数据。 这些数据对应的中微子背景在能量上等效于1.95 K,该温度远小于X射线光子的温度。 普朗克最近的研究结果也明确指出仅三种类型的轻中微子。

我们从普朗克中学到,只有三种类型的中微子,每种中微子的质量不能超过0.4 eV / s 2 :比电子小1000万倍。 我们知道这些中微子的宇宙温度对应于RI光子的温度/动能的72%。 如果他们没有质量,那么今天的温度将是2K。

我们还知道,就整体空间曲率而言,宇宙非常非常平坦。 通过将普朗克的数据与大规模结构形成的数据相结合,我们可以确定宇宙的曲率不超过1/1000,也就是说,宇宙与完美的平面是无法区分的。


RI波动基于通货膨胀产生的主要波动。 特别是,如果不进行通货膨胀,就无法说明图表的平坦部分(左)。 一条直线表示种子,在宇宙的前380,000年中,从该种子将出现倾斜和峰值模式,假设n s =1。来自普朗克的真实数据光谱给出了一个小但重要的偏差:n s = 0.965

今天,我们也有最好的证据表明,密度波动与宇宙通货膨胀理论的预测完全吻合。 最简单的通货膨胀模型预测,宇宙诞生的波动在所有尺度上都是相同的,并且在较大的尺度上要比在较小的尺度上略强。

对于普朗克而言,这意味着他可以推导的数量ns应该几乎为1,但要略小于该数量。 普朗克的测量成为所有测量中最准确的,并且得到了完美证实的充气:ns = 0.965,误差小于0.05%。


仅来自普朗克的数据并没有对暗能量的状态方程给出非常严格的限制。 但是,如果我们将它们与关于大型结构和超新星的完整数据集结合起来,则可以肯定地证明暗能量非常适合纯宇宙常数(两条虚线的交点)的框架。

还有一个问题是暗能量是否是真正的宇宙学常数,并且它对RI和来自宇宙最远角的数据(例如Ia型超新星)都非常敏感。 如果暗能量是理想的宇宙常数,则其由参数w指定的状态方程必须正好等于-1。

实测值?

我们发现w = -1.03,误差为0.03。 没有观察到支持其他选择的证据,也就是说, Big CompressionBig Gap不支持此数据。


我们对当今宇宙中暗物质,正常物质和暗能量总量之比的最佳测量,以及它们在2013年的变化:在普朗克之前和普朗克发布第一个数据之后。 从普朗克获得的最终结果与第一个相差不超过0.2%。
左-之前,右-后。 结果,我们有68.3%的暗能量,26.8%的暗物质和4.9%的普通物质

其他值有些变化。 宇宙比我们以前想象的要大一些(从13.8年前的137亿年变到13.8亿年)。 与观测到的宇宙边缘的距离比WMAP所显示的要小一些(46.1而不是465亿光年)。 对通货膨胀产生的引力波幅值的限制已有所改善。 相对于普朗克的张量标量比参数r从上方限制为0.3。 现在,有了普朗克关于大规模结构和其他实验(例如BICEP2和凯克地块)的数据,我们可以放心地说r <0.07。 这排除了先前认为可能的几种通胀模式。


垂直是张量与标量®的比,水平是标量光谱指数(ns),由普朗克以及超新星和大型结构的数据确定。 请注意,如果n s是有界的,那么关于r不能这么说。 r可能会变得非常小(最大为0.001甚至更低)。 普朗克的局限性,尽管目前最好,但仍然不够好。

而现在,有了所有这些数据,我们对宇宙及其组成部分有什么想法可以说“是”,而哪个则可以“不”?
  • 是的-通货膨胀,否-引力波过后。
  • 是-具有标准模型的三个超轻中微子,否-具有扩展名。
  • 是的-扩张速度稍慢,宇宙较旧,否-空间弯曲的任何证据。
  • 是的-多一些暗物质和正常物质,是的-多一点暗能量。
  • 不-变化中的暗能量,巨大的间隙和巨大的压缩力。


普朗克合作的最终结果表明,宇宙学的预测与大量暗能量和暗物质(蓝线)以及数据(红点和黑错误)之间的精确匹配。 所有7个声峰均与数据完美匹配。

最重要的是,在观测到的RI和5%的正常物质,27%的暗物质和68%的暗能量的宇宙行为的理论预测之间,存在着前所未有的精确度之间的巨大一致性。 其中一些值会在1-2%的范围内波动,但是如果没有大量的暗物质和暗能量,宇宙就不会存在。 它们是真实的,是必要的,并且它们的预测与整个数据集完全匹配。

通货膨胀,中微子物理学和宇宙大爆炸得到了进一步的证实,替代方案和特殊选择变得更加有限。 确实,正如普朗克合作所写的那样,“我们还没有令人信服的证据表明需要扩展基本的lambda-CDM模型 。” 最后,我们可以非常有信心地说明宇宙的组成。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN418309/


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