「普朗克」沒有發現宇宙異常的新證據

2020-12-04 老胡說科學

宇宙微波背景的各向異性。宇宙微波背景輻射是宇宙中最古老的光的快照,當宇宙只有38萬年的時候,它就印在了天空中。它顯示了與密度略有不同的區域相對應的微小溫度波動,代表了所有未來結構的種子:今天的恆星和星系。這個序列的第一個視圖顯示了CMB在普朗克獲得的全解析度下的溫度各向異性。歐洲航天局的普朗克衛星沒有發現新的證據來解釋其宇宙溫度圖中出現的令人費解的宇宙異常現象。最新的研究並沒有排除這些異常現象的潛在相關性,但它們確實意味著天文學家必須更加努力地去理解這些令人困惑的特徵的起源。

普朗克的最新結果來自於對宇宙微波背景輻射(CMB)極化的分析。宇宙微波背景輻射是宇宙歷史上最古老的光,在宇宙只有38萬年的時候被釋放出來。

2013年,這顆衛星公開了最初的分析結果,主要針對的是這種輻射在天空中的溫度。這使得天文學家能夠研究宇宙的起源和演化。雖然普朗克的第一幅圖基本上證實了宇宙演化的標準圖景,但它也揭示了一些在宇宙學標準模型中難以解釋的異常現象。

這些異常是天空中出現在大角度尺度上的模糊特徵。它們肯定不是衛星行為或數據處理過程中產生的人工製品,但它們非常微弱,可能是統計上的僥倖波動——這種波動極為罕見,但並非完全被標準模型排除在外。

或者,這些異常現象可能是「新物理學」的一個標誌,「新物理學」指的是尚未被承認的自然過程,它將擴展已知的物理定律。

宇宙近140億年歷史的總結,特別顯示了促成宇宙微波背景(CMB)的事件。插圖上半部分的時間軸顯示了宇宙大尺度演化的藝術觀點。從通貨膨脹中描述的過程,短暫的宇宙加速膨脹的時代,經歷了第二個舊的一小部分時,宇宙微波背景的釋放,我們的宇宙中最古老的光,從「黑暗時代」到第一批恆星和星系的誕生,這些恆星和星系在宇宙幾億年前重新電離了宇宙,一直到現在。這個信號是迄今為止對所謂的CMB極化電子模式的最好測量,可以追溯到宇宙中第一個原子形成和CMB釋放的時候。它是在電子聚集成氫原子之前,光從電子粒子上散射而產生的。

兩極分化提供了對宇宙微波背景輻射的一種幾乎獨立的看法,因此,如果這些異常現象也出現在宇宙微波背景輻射中,這將增強天文學家的信心,他們相信這些異常可能是由新物理學引起的,而不是統計上的僥倖。

雖然普朗克最初的設計不是為了關注極化,但它的觀測結果已被用來繪製迄今為止最精確的宇宙微波背景輻射極化的全天空地圖。這些在2018年發表,極大地提高了普朗克在2015年發布的第一張極化圖的質量。

普朗克小組研究這些數據時,沒有發現明顯的異常跡象。今天發表在《天文學與天體物理學》雜誌上的這份分析報告,充其量只能揭示出一些微弱的跡象,表明一些異常現象可能存在。

「普朗克的偏振測量非常棒,」歐洲航天局普朗克項目科學家簡·陶伯(Jan Tauber)說。

「然而,儘管我們擁有大量數據,卻沒有發現任何明顯的異常跡象。」

從表面上看,這似乎使異常更有可能是統計上的僥倖,但實際上,這並不排除新物理學的可能性,因為自然可能比我們想像的更棘手。

到目前為止,還沒有令人信服的假說來解釋是什麼樣的新物理現象導致了這些異常現象。因此,可能是這種現象只影響CMB的溫度,而不影響極化。

從這個角度來看,雖然新的分析沒有證實新的物理學正在發生,但它確實對它施加了重要的限制。

在CMB溫度圖中出現的最嚴重的異常是在天空中大角度尺度下觀察到的信號的缺失,大約5度——作為對比,滿月的跨度約為0.5度。在這些大尺度下,普朗克的測量結果比宇宙學標準模型預測的要弱10%左右。

普朗克還證實,高統計信心,其他異常特徵,暗示了在以前的觀察宇宙微波背景輻射溫度,如信號的一個重要差異觀察兩種截然相反的半球的天空,和一個所謂的「冷點」——一個大,低溫點與異常陡峭的溫度曲線。

「我們在第一次發布時表示,普朗克將利用其極化數據測試異常。這篇新論文的作者之一、來自美國加州理工學院噴氣推進實驗室的Krzysztof M. Gorski說:「我們在2018年發布了第一套足夠清晰的偏振圖,現在我們有了結果。」

歐洲航天局普朗克衛星觀測到的宇宙微波背景(CMB)溫度圖。波動在宇宙微波背景輻射是由普朗克現在和觀察到非常小的角尺度,這些圖像過濾顯示主要是信號檢測在天空中相當大的規模,約5度和更大——作為對比,滿月直徑約半度。在這些大尺度上,CMB溫度中觀察到許多異常現象——這些特徵在宇宙學的標準模型中很難解釋,該模型基於這樣的假設,即在大尺度上,宇宙在所有方向上都具有相同的屬性。最嚴重的異常是在5度範圍內觀測到的信號缺陷,比預測的弱10%左右。不幸的是,新的數據並沒有使爭論進一步,因為最新的結果既沒有證實也沒有否認異常的性質。

「我們有一些提示,在兩極分化地圖,有權力不對稱相似中觀察到的溫度地圖,儘管它仍然是統計上沒有說服力,」

雖然將對普朗克的結果進行進一步分析,但它們不太可能在這個問題上產生重大的新結果。取得進展的明顯途徑是進行一項專門設計和優化的任務,研究宇宙微波背景輻射的兩極分化,但這至少是未來10至15年的事情。

「普朗克給了我們至少十年來最好的數據,」來自法國土魯斯天體物理和行星研究所的安東尼·班迪說。

與此同時,異常現象的謎團仍在繼續。

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