古代光如何揭示宇宙的内容

经许可转载自量子杂志社抽象博客.

我n 2003年初，查克·贝内特了解宇宙的确切内容。

到那时，大多数宇宙学家已经得出结论，宇宙所包含的远远超过肉眼所见。对旋转星系的观察表明，不可见物质的支架将它们的恒星连接在一起，而一种排斥性的能量形式将星系分开。为了了解更多信息，Bennett和他的Wilkinson微波各向异性探测器（WMAP）团队花了一年时间收集来自天空中各个方向的微波光线，这些光线很久以前就离开了它们的来源，当时宇宙只有38万年的历史。通过拍摄这张年轻宇宙的照片，WMAP小组可以确定它的年龄和形状，并准确确定它包含了多少所谓的暗物质和暗能量。

约翰·霍普金斯大学的天体物理学家贝内特回忆道：“突然之间，我们有了这个数字列表。”。

该队宣布了他们的第一场比赛后果2003年2月。他们在随后几年中改进的“宇宙微波背景”（CMB）地图表明，熟悉的行星、气体和恒星物质只占宇宙的4.6%，而看不见的暗物质占24%。宇宙饼图中剩余的71.4%必须是暗能量，这被认为是空间本身的结构。数字改变就在不久之前，WMAP的继任者普朗克卫星在10年后拍摄到了更清晰的CMB图像。而其他关于暗能量和暗物质的证据仍在继续争夺他们在中巴的指纹几乎毫无疑问。

他说，CMB“即使不是最重要的，也是现代宇宙学的支柱之一。”亚辛·阿里·哈伊穆德他是纽约大学的天体物理学家。

以下是宇宙是如何在宇宙微波背景下写出这样一条有说服力的信息的，以及研究人员是如何学会阅读的。

起初，在微波离开源之前，宇宙是一种几乎没有特征的流体，由暗物质和可见物质构成。在宇宙最初的几十万年里，这种原始物质曾经发出白热的光芒，然后冷却成浅橙色。光线在与相邻粒子发生反弹之前无法传播很远。这种散射光使液体保持雾状和压力。

但是今天的恒星和行星的种子已经播下了。自然界中没有什么是完美的，光滑的原始汤曾经有过如此轻微的凝结，有些区域的密度比周围的液体高出千分之一，有些区域则薄得多。

当重力将物质拉到一起，光波将其推开时，液体晃动。这场拔河使稠密的斑点变薄，因为多余的物质向外溢出，而使稀薄的斑点变厚，因为物质向内冲。当一个区域变得太薄时，粒子会再次冲入，反之亦然，因此每个水滴会在高密度和低密度之间来回摆动。幸运的是，物理学家拥有在合理温度下分析简单流体波动所需的所有理论工具。“物理学真的很古老，”阿里·哈穆德说。

CMB在特定时间捕获晃动的液体。宇宙膨胀了约38万年后，冷却到足以使质子和电子配对成氢原子，这一事件称为复合。由于几乎没有带电粒子可以撞击，光束突然变得自由，释放了压力并将密度团冻结在适当的位置。从那时起，膨胀的宇宙将释放的光线的波长拉伸成微波。WMAP和普朗克望远镜通过从全天空收集它们，捕捉到了早期宇宙及其内容物的晃动。他们的地图显示了密集点和较薄点的斑点图案，以微波表示，微波测量温度比黄色高或低一点（正如蓝色表示火焰比黄色热）。

破译CMB凌乱涟漪的关键在于，重组赋予了一系列特定的斑点持久的宇宙意义。考虑到一个原始物质的大团块，足够大到需要380000年才能完全变薄，在这一点上，复合将它冻结成一个永恒的稀薄点。较大的斑点没有时间完全变薄，较小的斑点会再次开始变厚。一组特定的小水滴有足够的时间从峰值厚度到峰值厚度再回到峰值厚度。还有一组更小的点恰好完成了三次转换，其他四次。

研究人员通过将地图模糊到不同程度并绘制他们看到的密度变化来分析CMB的重叠静态。结果图称为CMB功率谱，它有一系列峰值，代表在复合时达到最大厚度或厚度的特殊斑点的大小。他说，如果宇宙以其他方式发展或包含其他宇宙混合物，不同的音调模式将在重组时冻结，科学家可以像耳朵可以区分钢琴和单簧管一样区分开来斯科特·多德尔森卡内基梅隆大学的宇宙学家。

在现代天空中，最大的斑点跨度为1度角，大约是满月宽度的两倍。由此，宇宙学家可以推断宇宙的形状，空间是平的，平行光线保持平行，还是像马鞍或球体一样弯曲。物质和能量曲线空间，我们体验到的重力效应。与此同时，宇宙的膨胀使空间变得平坦，有一段时间宇宙学家不确定是否有一方获胜。不同的曲率会使CMB中最大的斑点看起来更大或更小（想想如果我们把地球变平，非洲和格陵兰岛的表面大小会如何扭曲），但最大斑点的1度大小符合对平坦宇宙的预期。WMAP发现了一个有足够内容的宇宙，使光线能够真实地飞行0.4以内百分比

较小的水滴揭示了宇宙的组成。它们的大小，以及它们的厚度或厚度，取决于液体的成分，就像蛤蜊杂烩汤和鸡汤的飞溅不同。在原始流体中，暗物质感受到重力的拉动，但不是光线的电磁推力。正常物质对两者都有反应。特斯拉杰尔特玛圣克鲁斯的一位宇宙学家解释说，研究人员可以通过比较不同大小的斑点向内和向外晃动功率谱中的峰的相对高度的强度来区分这两种流体成分。

没有人发现暗物质粒子，但CMB揭示了这种难以捉摸的物质的大规模行为。Ali Haïmoud将这种情况比作前现代科学家即使不知道水的化学式是H2O，也能理解浮力和压力。解释暗物质的明显影响的任何尝试，如调整重力定律必须与原始流体的特定脉动相匹配。不模型还没有建立迎接挑战。

与此同时，暗能量在宇宙的年轻化过程中扮演着微不足道的角色。它的存在可以从CMB的指示中推断出来，即今天的宇宙是平的。测量的暗物质和可见物质的数量只是没有足够的力量使空间变得平坦。但在现代宇宙中增加71.4%的暗能量，一切都会平衡。

这张照片并不完美，因为最近的天文观测表明今天的宇宙是完美的扩大比CMB配方所暗示的更快的剪辑。但WMAP和普朗克数据为理论家们寻找恒星和星系运动的替代性、非暗解释设置了一个高标准。“现在我们有了这些详细的地图，”多德尔森说，“中巴本身就非常擅长获取几乎所有东西。”

查理·伍德（Charlie Wood）是一名报道地球内外物理科学发展的记者。他的作品发表在杂志上科学美国人,基督教科学箴言报和《生活科学》等出版物。此前，他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语，并在布朗大学获得物理学学士学位。