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宇宙交响曲走调了?

已有 5480 次阅读 2009-12-22 14:15 |个人分类:未分类|系统分类:科普集锦| 宇宙微波背景辐射, 谐波分析, 温度起伏

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宇宙交响曲走调了?
宇宙微波背景辐射是全世界最古老的乐音,吟唱着宇宙的秘密。然而最新的观测发现,其中竟隐含着不和谐的旋律?
撰文╱史达克曼(Glenn D. Starkman)、舒瓦兹(Dominik J. Schwarz)
翻译/李沃龙
 
WMAP卫星所绘制的微波全天图,是量测了K波段(230亿赫兹,上图)、W波段(940亿赫兹,下图)与另外三个波段(图中未显示)的结果。就像地球的地图一样,此图将整个天球投射成椭圆形。中央水平的红色区域是银河系所发出的辐射。这类「前景」辐射的强度会随着波段而改变,因此可以辨识出而从数据里扣除,留下微波背景。
  想象一下,有个成员无比众多的管弦乐团,演出长达140亿年的盛况。乍听之下,乐曲的旋律还蛮和谐一致的;但再仔细听听:有乐器好像走音了。奇怪,低音号与低音大提琴轻声演奏着的,是不一样的歌曲。
  这是科学家「聆听」宇宙微波背景辐射(CMB)所演奏的宇宙音乐时发现的。CMB是我们窥视早期宇宙状态最大尺度的窗口。或许得感谢量子力学的作用,在大霹雳发生后不久,宇宙的能量密度便明显有着不规律的起伏。这些随机的起伏像吹气球般胀大,最终形成今日的星系团。这种能量密度的起伏非常类似声波(一般的声波是藉由空气密度的振荡而产生),140亿年前响彻整个宇宙的「声音」,会铭刻在CMB上。现在,我们可藉由CMB的温度变化,「看见」这些声音在天空中的图谱。
  CMB的涨落,可以像声波一样,借着将其分解为个别的谐波分量,予以分析解读。这些谐波就像不同频率的单音,或者,更具体的说,是乐团里不同的乐器。有一些谐波发出的声音太小,不符合它们应扮演的角色。另外,这些谐波以奇怪的方式排列,奏着错误的旋律。这些错误的音符显示,在其它方面都高度成功的标准宇宙学模型,是有瑕疵的不然,就是观测数据出了问题。
  在过去几十年,科学家已建构并确证了宇宙学的标准模型。令人印象深刻的是,它说明了宇宙的诸多特性。标准模型解释了轻元素(氢、氦、锂的各种同位素)的丰度,而且它所给定的宇宙年龄(140亿年),也符合由已知最古老恒星所推算出来的结果。它预测了近乎均匀的CMB存在,同时解释了宇宙为何能展现出其它许多特性。
  这个标准模型称为「暴胀Λ冷暗物质模型」。这个名字起源于模型中三个最重要的成份:暴胀的过程、一个以希腊字母Λ(lambda)代表的宇宙常数,以及称为冷暗物质(CDM)的不可见粒子。
  根据此模型,暴胀阶段开始于宇宙诞生的最初瞬间,结束时则爆发了大量的辐射。暴胀解释了宇宙为何如此辽阔,充满物质却又如此近乎均匀。它也解释了为什么宇宙的均匀性并非十全十美:能量密度的不规则量子起伏,因暴胀而延展至星系团的尺度,甚至更大。
  这个模型预测,在暴胀结束后,密度较大的区域因本身重力的影响而塌缩,结果形成今日我们所见的星系和星系团。这个程序必须借助于冷暗物质。冷暗物质是由只能以重力效应侦测到的巨大粒子云所构成。宇宙常数(Λ)是怪异形式的反重力,它造成了现今宇宙的加速膨胀(参见2004年10月号〈宇宙常数,败部复活〉)。
无论琴弦的振荡多复杂,发出的声音都能分解成许多泛音。例如,我们可以把最下图的振荡想成是基音(n=0, 图上)与第四泛音(n=4, 图中)的组合。其中,第四泛音的振幅比基音的振幅来得小(波形较浅)。一般说来,琴弦振荡的形状越不规则,就需要越多的泛音来建构组合。
 
最古老的光
  虽然标准模型在解释宇宙的大多数性质时,获得空前的成功,但当天文学家测量CMB的温度涨落时,却遇到了问题。CMB是宇宙学家探究宇宙大尺度特性时最重要的工具。它是最古老的光,在大霹雳后仅仅数十万年便已发出,当时在宇宙的急速膨胀与冷却下,浓密不透明的电浆转化成透明的气体。在140亿年的变迁中,CMB因而能显现早期宇宙的图像。由于来自最遥远的地带,此图像也可说是宇宙最大尺度的瞬间影像。
  贝尔实验室的潘琪亚斯(Arnold Penzias)与威尔逊(Robert Wilson)在1965年首度侦测到CMB,并量测了它的温度。最近,CMB的尖端研究专注于:探究天空中不同区域的温度起伏。(专业说法称这些起伏为温度异向性。)遍及整个天空的温度差异,可反映出宇宙早期密度起伏的状况。1992年,宇宙背景探测卫星(COBE)首度观测到这些涨落;后来,威金森微波异向性探测器(WMAP)卫星则制作了高分辨率的起伏图像。
  像「暴胀ΛCDM」这样的模型,并无法计算精确的涨落模式。但是它们可以预测涨落的统计性质,例如涨落的平均尺度与其延展的范围。除了「ΛCDM」外,物理学家曾考虑过可以做为替代方案的许多其它简单暴胀模型,也预测了涨落的某些统计特性。由于这些特性,在许多不同的暴胀模型中都能找得到,因此它们被视为是暴胀的「一般性」预测;假如真的有暴胀发生,那么不论模型的细节如何,这些预测都可以成立。若要证明其中某项预测的特性不存在,相当于是在测试暴胀学说的底限,对科学理论来说是最严峻的挑战。而这就是CMB的异常测量值所可能导致的结果。
  我们可将暴胀所预测的温度涨落,分解成一系列的模态(mode),称为球谐函数(spherical harmonics);就如同将声音分解为一连串的音符一样。前面提过,我们可以把形成星系前的密度起伏视为宇宙中的声波。如果你无法理解这个分解成模态组合的方法,可以回想一下乐团的比喻:每个模态就是一个特定的乐器,因此横亘天空的温度涨落图像,就相当于整个乐团所演奏出的音乐。暴胀的一般性预测中,第一个与涨落有关的是「统计均向性」。也就是说,CMB的起伏既不会朝向任何已存在的特定方向(例如地球的自转轴),也不会聚集在某个特别偏好的方向上。
  暴胀更进一步预测,每个模态的振幅(假如我们想象成乐团的例子,那指的就是每个乐器演奏出的音量)有一定的范围,不过是随机而无规律的。特别的是,此机率的分布遵循一个称为高斯分布的钟形曲线。曲线的高峰落在振幅为零的位置,表示振幅为零的可能性最大,但通常不等于零的情况仍会发生,只不过,振幅越偏离零,发生的机率愈小。每一个模态都具有自己的高斯曲线,而高斯分布的宽度(钟形底部的开口大小)决定了该模态的功率多寡(声音的大小)。
  暴胀告诉了我们,所有模态的振幅,应具有近乎相同宽度的高斯分布。这是因为暴胀造成宇宙极速飙胀,其功效就像个无所不在的超级大熨斗,将所有尺度的特性痕迹都烫平了。由于欠缺可区分的特征,暴胀的功率谱是非常平坦的。只有在暴胀开始或结束时所产生的模态,才会明显偏离这样的平坦性。……
【本文转载自《科学人杂志》2005年9月号】
 






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