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宇宙是由暗物质组成

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宇宙是由暗物质组成

Post  luomasheng on Fri Jun 25, 2010 7:19 am

2003年科学最大突破:照亮黑暗的宇宙(组图)
今年美国国家航空航天局(NASA)首次发布了详细的全天空宇宙微波背景辐射地图。证实宇宙大部分是由神秘的暗能量和暗物质组成的,并且给出了宇宙的确定年龄和精确的膨胀速度。
  宇宙大爆炸发生后,早期宇宙是极高温度和极高密度的均匀气体,随着宇宙的膨胀,宇宙的温度会降低,当温度降低到退耦温度(Td=0.26eV,相当于3000K)以下时,质子与电子会复合生成氢原子并放出光子。当大多数自由电子被质子俘获后,光子就可以自由地在宇宙中传播,即宇宙对光子变得透明了,这就是我们能够观察到的宇宙中最古老的光,它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移,我们现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移动到了微波波段,这就是宇宙微波背景辐射(CMBR, Cosmic Microwave Background Radiation)。
  1992年,NASA曾发射过一颗宇宙背景探测者卫星(COBE)并观测到了宇宙微波背景辐射在不同方向上存在着微弱的温度涨落。为了进一步研究这种各向异性现象,今年NASA的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)第一次清晰地绘制了一张宇宙婴儿时期(大爆炸后不到38万年)的图像。这张清晰的早期宇宙图像标志着宇宙学进入了一个新的时代。
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威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)观测结果
  宇宙的年龄大约是130亿年,38万年寿命宇宙的图像相当于一个80岁的人在他出生当天拍下的照片。
  有了这一进展,以及今年一系列与之相关的其他进展,延续几十年关于“暗物质是否存在”的争论画上了句号。五年前,科学杂志的封面曾刊登了一张爱因斯坦的漫画:他看起来被1998年的科学发现“加速中的宇宙”惊呆了——两组天文学家在死亡阶段恒星发出的咔咔声中发现了一种可怕力量的蛛丝马迹。
  一些明亮的超新星使得宇宙学家可以用之确定宇宙在不同时期膨胀的速度。科学家们惊讶地发现宇宙正加速膨胀着,膨胀速度越来越快,而不是象先前认为的减速膨胀。减速膨胀理论是广义相对论的自然结果,曾得到天体物理学家的普遍相信。这就是神秘的“暗能量”的首次登场,一种未知的力量抵抗着引力并把星系相互分开。
  尽管来自超新星的数据是十分明确的,但许多宇宙学家仍然犹豫不决是否要支持“暗能量”这一古怪的概念。全世界的天文学家都迫不及待地采用不同的方法去验证这种不可避免的力是否存在。
  今年,关于“暗能量是否存在”的争论已告结束,今后不会再有科学家去怀疑暗能量的存在性。他们将试图去解决暗能量是由什么构成的,它能提供哪些关于宇宙诞生和演化的信息等新问题。
  残存的关于暗能量存在性的怀疑以及宇宙组成的问题已经在WMAP卫星描绘出迄今最清晰的宇宙微波背景(CMB, cosmic microwave background)辐射地图后而烟消云散。CMB是宇宙中最早的光, 是当新生宇宙还是一团炽热的等离子球体时所发出的光辐射。这种微弱的微波辐射弥漫在我们的周围,就像远处一堵火墙(wall of fire)发出的热辐射一样。记录在这面火墙上的信息就是微小的温度涨落(和其他一些性质),这提供了宇宙组成的信息。
  在恒星和星系形成之前,宇宙是一团炽热发光的等离子体,引力与光的效应在那里激烈地竞争。大爆炸让整个宇宙振动并象钟一样发出巨响,压力波在等离子体内传播,挤压并拉扯着等离子体内的物质。
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暖色区域表示宇宙冷却过程中, 在背景辐射中被压缩的、稠密的等离子体,冷色区域则表示稀薄气体。
  正如钟的音调是由它的形状和材料决定,早期宇宙的“声音”(对应微波背景中冷暖区域的尺寸和分布)依赖于宇宙的组成和它的形状。WMAP是最终让科学家得以聆听天籁之音的手段,同时它也描绘出我们生活的这个宇宙是什么类型的。
  WMAP给出的答案既让我们觉得烦恼又让我们觉得高兴。WMAP的数据证实了其它已绘制出的关于早期宇宙似是而非的奇怪图像。普通物质(包括:星星,树还有人等)仅占宇宙组成的4%;23%是奇异物质:暗物质,天体物理学家认为暗物质是由未知粒子组成的;剩下的73%则是暗能量。
  宇宙之钟的音调也揭示了宇宙的年龄和它膨胀的速度,WMAP对此有精确测定。一年前,一个宇宙学家可能还会说宇宙的年龄大约是在120亿到150亿年范围内。现在WMAP给出了最精确的结果:137亿年(正负几十万年)。
  同样,基于WMAP数据我们计算出宇宙膨胀的速度是71公里每秒每百万秒差距(正负百分之一);宇宙的“形状”扁平(slate flat)。几十年来所有关于宇宙基本参数的争论:宇宙的年龄、膨胀速度、组成、密度——全都搞清楚了。
  尽管WMAP的发现有划时代的意义,但这并不是今年科学家在宇宙学方面的唯一重大进展。斯隆数字巡天(SDSS, Sloan Digital Sky Survey)正在测绘数以百万计的星系。通过分析这些星系的分布及它们聚集和扩散的方式,科学家能推测出引起聚集和扩散的力——正是暗物质的引力或暗能量的反引力。今年十月,SDSS小组公布了他们对收集到的二十五万多个星系的分析结果。这一结果与WMAP卫星得到的结果是一致的:宇宙中暗能量占了多数。

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SDSS使用的2.5米直径望远镜观测结果
  今年科学家得到了对暗能量的最直接证据。七月,物理学家比较了SDSS数据和WMAP数据,并证明暗能量一定存在。这一证明依赖于所谓的ISW效应(integrated Sachs-Wolfe effect)。微波背景扮演了背景灯光的作用,照耀着SDSS标记出的由星系簇引起的引力涟漪。科学家观察到了微弱的坍塌——明显地有向更短波长的微小移 动。在未被扭曲的宇宙中(如我们现在的这个), 这仅当存在反引力时才能发生——暗能量——拉抻着时空结构并改变着星系簇所在的引力涟漪。
  宇宙学的部分工作是解释宇宙诞生的一瞬间,即解释在什么力的作用下使宇宙在不到百万分之一秒的时间里形成。宇宙从奇点诞生后,新生宇宙的结构以比光速更快的速度膨胀着。这是宇宙的暴涨(inflation)时期。这是一次爆发式的诞生——在不到10-30秒后嘎然而止——于是形成今天我们所见的宇宙。
  几十年来, 暴涨提供了极少可供检验的猜想。现在有了WMAP的精确数据,科学家最终可以直接验证暴涨。目前每个版本的暴涨理论都有对膨胀力本性微小的不同描述,每一种都可作出关于宇宙背景辐射(CMB)的具体预测,包括星系的分布,乃至后期气团的聚集。科学家们正在筛选出少数理论并设计相关的判决性(非对即错)实验。随着SDSS数据的增长——从中可获得的关于遥远类星体、气团以及星系分布的信息,使得科学家们能够更大胆地去挑战暴涨理论。
  暗能量的性质仍有待详细研究。WMAP, SDSS以及今年新发布的一些超新星观察报告正帮助科学家了解暗能量如何应付被被拉抻和压缩。物理学家已经不得不抛弃他们关于暗能量的一些猜想。现在他们得考虑一种暗能量的新形式,但这种形式可能会让宇宙在一定条件下突然死亡。即当暗能量超过一定临界值时,将发生“大撕裂”(Big rip),大撕裂会撕裂星系、太阳系、行星甚至原子。(不过不用担心,这仅仅是宇宙学家的一个模型,他们并不会因此而睡不着觉。)
  在过去5年里,“宇宙是由暗物质组成并因暗能量而彼此分开”这一难以理解而且违反常理的宇宙模型,已经逐渐得到了宇宙学家的验证。认识到暗能量可能正确后他们都松了口气。今年,由于WMAP, SDSS以及新的超新星数据,科学家们终于得到了肯定的答案。现在,他们已经开始研究一系列新问题了。或许这是一个标志,标志着人类最终是能够理解宇宙起源的。(新浪网)

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