普朗克衛星與宇宙微波背景輻射(上)

夏俊卿  

中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心

目前對於宇宙起源的認識主要來自於熱大爆炸宇宙理論。根據這一理論，在宇宙的極早期，物質以高溫高密的等離子體形式存在，並且處於熱平衡狀態。由於大量自由電子與光子頻繁發生散射，使得光子的平均自由程很短，宇宙處於不透明的狀態。隨著宇宙的膨脹，其溫度不斷降低。當宇宙年齡大到38萬年時，宇宙溫度就已降至3000 K了，等離子體中的自由電子被質子俘獲，形成中性氫原子，宇宙進入複合階段。宇宙中自由電子的數密度急劇減少，光子和自由電子的散射機率驟減，光子的平均自由程大幅度增加，宇宙變得透明起來。最後，完全失去與自由電子碰撞機會的光子便從熱平衡系統中退耦出來，開始自由傳播。這便是今天觀測到的宇宙微波背景輻射（CMB），它是目前能探測到的最古老的輻射。CMB攜帶了豐富的宇宙學信息。這些極早期的信息，可以精確地限制宇宙中物質的組分、宇宙的年齡和幾何性質等。因此，CMB 實驗是宇宙學研究領域最為重要的實驗觀測。

1965年，貝爾實驗室的彭齊亞斯和威耳遜在調試一個為回聲衛星計劃而建造的角形反射天線時，在射電波段意外發現了約為3.5K的過剩天線溫度。在排除了輻射來自天線內部或臨近環境的可能性後，他們肯定這一各向同性、非極化的、與季節無關的輻射是來自宇宙遠處的輻射信號。科學家認為，這就是CMB的信號。CMB的發現無疑是宇宙學發展中最重大的事件之一，它和星際有機分子、類星體、脈衝星被譽為20世紀60年代天文學的「四大發現」。彭齊亞斯和威耳遜也因為宇宙微波背景輻射的發現而獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

為了進一步研究CMB的特性，需要在更多的頻率波段上探測其信號，特別是毫米和亞毫米波段。可是在這些波段，地球大氣會對測量產生很大的影響，必須將儀器載在氣球或者火箭上來進行實驗。因此，在1965年CMB被發現之後，國際上提出了很多實驗項目，比如COBRA、RELIKT-1、BIMA、FIRS、ACME/HACME 等實驗。可是這些實驗都是在地面上或者是在大氣層內進行的，使測量精度受到限制。

1976年，美國國家航空航天局（NASA）計劃將3個實驗儀器：探測CMB溫度漲落各向異性的探測器DMR，測量CMB能譜的分光光度計FIRAS和探測星際塵埃輻射的紅外多波段探測器DIRBE合併到一起，建造宇宙背景探測者衛星（COBE），並於1989年11月18日將COBE 衛星發射升空。

衛星升空運行後不久，FIRAS儀器便對CMB能譜給出了精確的測量，它精確符合普朗克黑體輻射譜的理論曲線，計算出目前背景輻射的溫度為T=2.728±0.004 K，充分肯定了熱大爆炸宇宙理論的正確性。另外，經過3年多數據的積累，DMR儀器在1992年首次探測到了與CMB 溫度漲落相關的各向異性數值：DT/T~5×10－5，這一結果與理論預期值非常一致。作為對熱大爆炸理論的檢驗，COBE實驗給出了完美的答案。因此，FIRAS和DMR儀器的主要領導者馬瑟和斯穆特獲得了2006年的諾貝爾物理學獎，以表彰他們對CMB黑體譜和溫度漲落各向異性的發現。

WMAP衛星在COBE衛星巨大觀測成果的推動下，2001年6月30日，新一代衛星在美國甘迺迪航天中心發射升空，圍繞著日-地系統的距離地球約150萬km 的拉格朗日2點（L2）運行，它的全稱是威爾金森微波各向異性探測器，即WMAP，是以CMB研究先軀者威爾金森命名的。WMAP是繼COBE衛星之後的，又一顆以測量CMB為主要科學目標、進行全天空掃描的空間探測衛星。與COBE不同的是，WMAP的精度更高。

作為COBE衛星的繼承者，WMAP衛星探測器在精度上提高了45倍，角解析度提高了33倍，並且在5個頻率波段（23、33、41、61 和94 GHz） 上對CMB進行觀測，其目標是探測CMB溫度之間的微小差異，精確測量CMB功率譜，以幫助檢驗各類宇宙學模型。WMAP距離地球很遠，這當然消除了來自地球的各種幹擾；但WMAP還有更多的考慮，即要消除掉來自太陽的幹擾。在這個「拉格朗日點」處，WMAP 可以（與地球同步地）繞太陽運行，它還能受到地球的遮掩，這就屏蔽掉大量的幹擾。解析度為13角分的新一代WMAP衛星對於CMB 各向異性的測量要更加精確，觀測到了重要的細節部分，可以從中得到大量的宇宙學信息。

2003年2月份，WMAP實驗組公布了衛星運行一年得到的觀測數據和物理分析結果。CMB功率譜中豐富的宇宙學信息對於眾多宇宙學參數給出了精確的限制，如宇宙年齡、宇宙各組分等，引起了科學界的廣泛關注，並在當年底被美國《科學》雜誌評為「世界十大科技進展」之一。此後，WMAP實驗組於2006年3月至2012年12月先後公布了WMAP衛星運行3年、5年、7年、9年的觀測結果。2010年9月，WMAP衛星被關閉並離開L2 點，結束了長達9年的觀測生涯。

WMAP實驗對CMB各向異性的精確測量結果，已經被應用到宇宙學研究的各個方面，取得了一大批高質量的科研成果，因此，WMAP實驗是近10年裡最重要的宇宙學觀測，其高質量的觀測結果極大地推動了宇宙學的發展，使宇宙學成為一門精確的科學，進入了「精確宇宙學」的時代。2010年，邵逸夫天文學獎授予了WMAP 實驗組的本內特、佩治和斯佩格。2012年，「彼得和帕特裡夏. 格魯伯」 基金會也將格魯伯宇宙學獎授予了本內特和WMAP實驗組，以表彰WMAP實驗對宇宙微波背景輻射的高精度測量，並以此對宇宙的起源、組成、年齡和幾何性質等給出精確限制，使得宇宙結構形成的研究成為一門精確的科學。

經過了幾十年的發展，CMB領域取得了豐碩的研究成果，特別是WMAP衛星的精確觀測結果，在宇宙學研究中起到了至關重要的作用，推動了「精確宇宙學」的發展。為了進一步利用CMB觀測來研究宇宙的起源、形成和演化等性質，下一代更高精度的CMB實驗被提上了日程。在美國人把WMAP放到太空的同時，歐洲人也制定了自己的探測計劃。他們也要發射一顆與WMAP類似的衛星。但這顆衛星要更加昂貴了，費用達7億歐元，是WMAP的5倍左右。

圖1 歐洲空間局發射的普朗克衛星

普朗克衛星是歐洲空間局（ESA）發射的用於觀測CMB溫度漲落各向異性的衛星，它是繼COBE和WMAP衛星之後的第三代CMB空間實驗衛星。1992年，兩個空間CMB實驗組（COBRAS 和SAMBA）提出進行更高精度空間CMB實驗的想法。1996年，ESA將他們合併為實驗COBRAS/SAMBA，並把這個探測器以普朗克的名字命名。這是著名的德國物理大師普朗克的姓氏。目前，普朗克衛星實驗是歐空局「Cosmic Visions2020」項目的一部分。

當WMAP計劃接近尾聲時，普朗克衛星則盛裝登場。它於2009年5 月14日升空， 同樣是在日-地系統L2點運行。當年8月份就開始工作。普朗克衛星主要由兩部分組成：高頻組探測器是Bolometer測輻射熱計， 覆蓋100～857 GHz共6個頻率段，運行溫度為0.1 K，使用氦3 作為冷卻劑。在2012年1月14日，氦3冷卻劑用光，至此高頻組探測器成功地運行了30個月，對全天空的CMB進行了5次高精度的掃描，超出了設計之初預計的2次掃描。而低頻組探測器是HEMT放大器，覆蓋30～70 GHz 共3個頻率段，運行溫度為20K，使用氦4作為冷卻劑，於2013年下半年停止運行。

普朗克設計壽命是一年半，可喜的是，普朗克超期「服役」了一倍的時間。因為氦消耗完後，對應的儀器也就停止工作了。當然，對於不需要低溫的儀器仍然在工作著。

比起WMAP，普朗克除了證實WMAP的測量結果，普朗克還達到了更高的測量精度。比如說，宇宙的年齡確定為138億年。對於宇宙的構成，普朗克的測量結果是可視的物質只佔到4.9%，暗物質要多出4倍多，即達到26.8%；關於導致宇宙加速膨脹的暗能量，竟然佔到68.3%，比暗物質或暗物質與可視物質的和還要多出1倍多。普朗克比起前二者（COBE和WMAP），除了精度上的數據測量，還有一些重要的發現。

圖2顯示的是普朗克衛星和WMAP衛星對CMB溫度漲落測量精度的比較。相對於WMAP衛星，普朗克衛星將以10倍於它的高靈敏度和近3倍於它的高角解析度。可在30～857GHz的9個頻率波段上對全天空進行史無前例地精確掃描。從圖2中可以發現，普朗克衛星對於CMB溫度漲落的測量明顯要精確很多，可以觀測到更小尺度上溫度漲落的結構。高精度的CMB圖像可以精確顯示CMB溫度漲落各向異性的功率譜，特別是在小尺度上，可以對眾多宇宙學模型的參數給出精確的限制，特別是宇宙早期的暴漲模型和宇宙大尺度結構的形成。另外，普朗克項目還會通過觀測CMB的引力透鏡效應和ISW效應，觀測河外的射電源和紅外源等。

圖2 普朗克衛星和WMAP衛星

對CMB溫度漲落測量精度的比較

在CMB溫度漲落的觀測過程中，會受到各類不同前景的汙染，比如星際塵埃輻射、同步輻射光等等。由於CMB的溫度本身已經非常低，測量溫度之間的漲落非常困難，一點點微小的汙染都會影響最終的結果，所以如何有效地去除各類前景汙染是CMB實驗觀測的重中之重。各類前景汙染會在不同的頻率波段上佔主導地位，可以通過多波段的觀測有效地分析這些前景汙染，從CMB觀測中去除這些前景汙染，即可得到乾淨的CMB溫度漲落的圖像。這一過程被稱為成分分離，這是筆者在普朗克項目合作組的主要工作之一。圖3顯示的是普朗克衛星數據在去除各類前景汙染之後得到的乾淨的全天空CMB溫度漲落圖像。圖中顏色的深淺代表溫度的高低，紅色代表溫度高於CMB 全天空的平均溫度，藍色代表溫度低於CMB平均溫度。這一圖像來自於宇宙極早期，CMB的溫度不是完全均勻各向同性的，天區之間存在著微小的溫度漲落，而這一微小的漲落恰恰對應著宇宙極早期的原初密度擾動，也就是形成宇宙大尺度結構的原初種子。通過對這一微小的溫度漲落的分析可以充分了解極早期的宇宙以及之後宇宙的演化過程。（未完待續）

圖3 普朗克衛星觀測的全天空CMB溫度漲落圖像

 本文選自《現代物理知識》2013年第3期  時光摘編

《現代物理知識》

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