讓暗物質(zhì)更“暗”一些
普朗克空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的宇宙微波背景極化圖像
圖片來源：歐空局普朗克合作組
對歐洲空間局（ESA）普朗克航天器所收集數(shù)據(jù)的首次全面分析，解決了早期宇宙學(xué)研究提出的一些難題，卻使得暗物質(zhì)之謎更加撲朔迷離。普朗克團(tuán)隊(duì)并未解決圍繞今年3月宣布的宇宙大爆炸引力波而產(chǎn)生的爭議。不過，他們計(jì)劃在接下來的一項(xiàng)研究中重點(diǎn)關(guān)注該問題。
普朗克空間望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生了迄今最為詳盡的宇宙微波背景（CMB）全景圖。CMB是138億年前宇宙爆發(fā)性誕生時(shí)殘留下來的輻射。這些圖像基于普朗克自2009年發(fā)射到2013年退役4年間的全部觀測結(jié)果，同時(shí)包括了CMB的溫度和極化信息。
去年發(fā)布的初始圖只是利用了最初15個(gè)月的數(shù)據(jù)，并且僅包含有關(guān)于溫度的數(shù)據(jù)。今年早些時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了由星系塵埃所致、在揭示原始背景輻射時(shí)必須去掉的極化信息?！皫缀踉谡麄€(gè)天空，星系會(huì)產(chǎn)生很多微波信號(hào)中的‘噪音’。”來自普朗克團(tuán)隊(duì)的天體物理學(xué)家Nazzareno Mandolesi在一次會(huì)議上展示了最新的普朗克觀測結(jié)果。此前，這種噪音被認(rèn)為只在接近可見銀河系的部分天空中存在。
這些觀測利用CMB研究早期宇宙極小的溫度波動(dòng)，而宇宙中的所有結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生于此。研究結(jié)果再次確認(rèn)了宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)模型。不過，科學(xué)家對早期已探測到暗物質(zhì)證據(jù)的說法提出了質(zhì)疑。暗物質(zhì)是一些看不見的粒子，其重力維持著星系不會(huì)彼此飛離。
暗物質(zhì)之謎同意料之外的宇宙射線中過量正電子有關(guān)。正電子是電子的反物質(zhì)“搭檔”，也是一類繞著星系旋轉(zhuǎn)的高能粒子。曾有理論預(yù)言，在高能量下正電子與電子的比率應(yīng)該低于較低能量下的比值。然而，去年來自國際空間站粒子探測器——阿爾法磁譜儀的觀測結(jié)果顯示，正電子與電子的比率實(shí)際上隨著能量的增加而提高。這印證了美國宇航局（NASA）費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡和歐洲PAMELA衛(wèi)星此前的觀測結(jié)果。
研究人員曾提出過量正電子是由碰撞產(chǎn)生的，而在此過程中暗物質(zhì)粒子彼此消減，產(chǎn)生包括正電子在內(nèi)的“碎片雨”。不過，這種解釋只能同那些證明粒子以很高速度碰撞并且消減的暗物質(zhì)模型一致。
這些碰撞也有可能發(fā)生在宇宙早期，尤其是在宇宙大爆炸發(fā)生后的約38萬年CMB被首次釋放到太空時(shí)。如果當(dāng)時(shí)暗物質(zhì)粒子碰撞的可能性和現(xiàn)在一樣高，普朗克會(huì)在CMB上探測到它們的印跡。然而，普朗克團(tuán)隊(duì)成員、來自巴黎天體物理研究所的Francois Bouchet表示，事實(shí)并非如此。正電子信號(hào)或許仍要?dú)w結(jié)于暗物質(zhì)，但前提是宇宙早期暗物質(zhì)碰撞的可能性比現(xiàn)在低很多。這在一些暗物質(zhì)模型中是可能的，但在另一些模型中則行不通。
盡管科學(xué)家似乎排除了一類暗物質(zhì)模型，但最新普朗克數(shù)據(jù)證實(shí)宇宙質(zhì)能總量中有26%是暗物質(zhì)構(gòu)成的。Bouchet解釋說，普朗克提供的圖像還驗(yàn)證了一個(gè)理論，即宇宙在“嬰兒期”經(jīng)歷了一段短暫卻急劇的增長，又被稱為宇宙暴漲。最初的普朗克數(shù)據(jù)已為暴漲提供了證據(jù)，正如包括NASA威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）在內(nèi)的此前實(shí)驗(yàn)所顯示的一樣。不過，Bouchet表示，最新的普朗克數(shù)據(jù)分析得更加深入，并且支持宇宙暴漲理論的最簡單模型。在這些模型中，溫度波動(dòng)的幅度在不同距離尺度上平均而言完全相同。
普朗克合作組成員、加拿大理論天文物理研究所理論學(xué)家Dick Bond介紹說，標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型正處于一個(gè)非常好的發(fā)展態(tài)勢。來自普林斯頓高等研究院的宇宙學(xué)家Matias Zaldarriaga對此表示贊同。“總體而言，標(biāo)準(zhǔn)模型看上去可以繼續(xù)適用。誤差線已經(jīng)減小，而且還未有異常情況出現(xiàn)。”Zaldarriaga說。
與此同時(shí)，Bouche表示，新的普朗克圖像排除了普朗克和WMAP數(shù)據(jù)關(guān)于密度、物質(zhì)分布等宇宙參數(shù)上的不一致。“現(xiàn)在，普朗克的數(shù)據(jù)更加接近WMAP?！?/span>
另一個(gè)由此前宇宙數(shù)據(jù)產(chǎn)生的不一致，涉及第一代恒星形成并產(chǎn)生足夠紫外線將星際介質(zhì)中的氫原子電離時(shí)的宇宙年齡。WMAP的結(jié)果表明，宇宙在大約4億歲時(shí)，這些恒星形成。不過，對類星體發(fā)出的光進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，這些恒星在宇宙誕生后的7億到8億年間形成。Mandolesi表示，目前來自普朗克的最新CMB數(shù)據(jù)集中在類星體的質(zhì)量上。
全面的普朗克數(shù)據(jù)分析還證實(shí)，被稱為中微子的亞原子粒子的確以3種類型存在，而測量的誤差范圍比2013年小了30%左右。結(jié)合來自其他望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示3種已知中微子類型的總質(zhì)量小于0.21電子伏特（1個(gè)電子的質(zhì)量約為51.1萬電子伏特）。Mandolesi認(rèn)為，這使得第4種中微子類型，即所謂的“惰性中微子”不可能存在。
12月22日，ESA將把全部普朗克數(shù)據(jù)放到網(wǎng)絡(luò)上。明年某個(gè)時(shí)候，普朗克團(tuán)隊(duì)希望能發(fā)布和位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)共同分析的結(jié)果。宇宙學(xué)家則期望，這將證實(shí)BICEP2在今年3月宣布的爭議性信號(hào)是否為來自星系塵埃的原初引力波的證據(jù)，或者只是來自星系塵埃的噪音。（宗華）
《中國科學(xué)報(bào)》 (2014-12-18 第3版 國際)
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