普朗克空间望远镜4年观测结果让此前研究存疑

普朗克空间望远镜观测到的宇宙微波背景偏振图像

资料来源:欧空局普朗克合作小组

对欧洲航天局(欧空局)普朗克航天器收集的数据进行的第一次全面分析解决了早期宇宙学研究提出的一些难题，但也使暗物质的神秘变得更加复杂。普朗克小组没有解决今年3月宣布的关于大爆炸引力波的争议。然而，他们计划在下一次研究中关注这个问题。

普朗克太空望远镜已经产生了迄今为止最详细的宇宙微波背景全景图。日冕物质抛射是138亿年前宇宙爆发时遗留下来的辐射。这些图像基于从2009年发射到2013年退役的四年间普朗克的所有观测结果，并包括中巴的温度和偏振信息。

去年发布的初始地图只使用了前15个月的数据，只包含温度数据。今年早些时候，研究小组发布了由星系尘埃引起的偏振信息，在揭示原始背景辐射时，必须将其移除。"几乎在整个天空中，星系都在微波信号中产生大量的‘噪音’。"普朗克小组的天体物理学家纳扎列诺·曼多里斯在一次会议上介绍了普朗克的最新观测结果。以前，这种噪音被认为只存在于可见的银河系附近的天空中。

这些观测使用宇宙微波束来研究早期宇宙中非常小的温度波动，宇宙中所有的结构都起源于此。研究结果再次确认了宇宙进化的标准模型。然而，科学家质疑暗物质证据已经被更早发现的说法。暗物质是一种不可见的粒子，它的引力阻止星系彼此远离。

暗物质的神秘与宇宙射线中意外过剩的正电子有关。正电子是电子的反物质“伙伴”，也是一种围绕星系旋转的高能粒子。有理论预测，高能时正电子与电子的比率应该比低能时低。然而，去年国际空间站粒子探测器阿尔法磁谱仪的观察显示，正电子与电子的比率实际上随着能量的增加而增加。这证实了美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜和欧洲的帕梅拉卫星先前的观察。

研究人员认为，过量的正电子是由碰撞产生的，在这个过程中，暗物质粒子被相互抵消，导致包括正电子在内的“碎片雨”。然而，这种解释只能与证明粒子以非常高的速度碰撞并减少的暗物质模型相一致。

这些碰撞也可能发生在早期宇宙，尤其是宇宙大爆炸后380，000年宇宙飞船首次被释放到太空的时候。如果暗物质粒子当时像现在一样有可能碰撞，普朗克会在宇宙微波背景上探测到它们的痕迹。然而，巴黎天体物理研究所的弗朗索瓦·布切特，普朗克小组的成员，说事实并非如此。正电子信号可能仍归因于暗物质，但前提是早期宇宙中暗物质碰撞的概率比现在低得多。这在某些暗物质模型中是可能的，但在其他模型中却不可能。

尽管科学家似乎已经排除了一种暗物质模型，但最新的普朗克数据证实，宇宙中总质量和总能量的26%是由暗物质组成的。布切特解释说，普朗克的图像也验证了一个理论，即宇宙在“婴儿期”经历了短暂但快速的增长，也就是众所周知的飞速发展的宇宙。正如包括美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)在内的先前实验所显示的那样，最初的普朗克数据为这种激增提供了证据。然而，布切特说，最新的普朗克数据已经得到了更深入的分析，并支持宇宙暴涨理论的最简单模型。在这些模型中，温度波动的幅度在不同的距离尺度上平均完全相同。

普朗克合作小组成员、加拿大理论天体物理研究所的理论家迪克·邦德说，标准宇宙模型正处于一个非常好的发展趋势。普林斯顿高等研究所的宇宙学家马蒂亚斯·扎尔达里亚加同意这一观点。“总的来说，标准模式似乎继续适用。错误行已减少，没有出现异常情况。”扎尔达里娅说。

与此同时，鲍彻说，新的普朗克图像排除了普朗克和WMAP数据在宇宙参数(如密度和物质分布)上的不一致性。"现在普朗克的数据更接近WMAP . "

另一个从以前的宇宙数据中产生的不一致与宇宙的年龄有关，当时第一代恒星形成并产生了足够的紫外线来电离星际介质中的氢原子。WMAP的结果显示，这些恒星是在宇宙大约4亿年前形成的。然而，对类星体发出的光的观察表明，这些恒星形成于宇宙诞生后7亿到8亿年之间。Mandolesi说，普朗克最近的宇宙微波背景数据目前集中在类星体的质量上。

普朗克综合数据分析还证实，被称为中微子的亚原子粒子确实存在于三种类型中，测量误差范围比2013年小约30%。结合其他望远镜的观测，数据显示三种已知中微子的总质量小于0.21电子伏(一个电子的质量约为511，000电子伏)。曼多里斯认为，这使得第四种中微子，即所谓的“惰性中微子”，不可能存在。

12月22日，欧空局将把所有普朗克数据放到互联网上。明年的某个时候，普朗克小组希望与南极的BICEP2望远镜小组一起发布他们的分析结果。宇宙学家预计，这将证实BICEP2在今年3月宣布的有争议的信号是来自星系尘埃的初级引力波的证据，还是仅仅来自星系尘埃的噪音。(宗华)

中国科学新闻(2014-12-18第三版国际版)

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