宇宙微波背景图背后的功臣

作者|邹乾一

审核|董晨晖

编辑|贺柏翔

小星上次说到,宇宙微波背景辐射有个鲜明的特点,在0.3-75厘米波段,可以在地面上直接观测到;在大于100厘米的射电波段,银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测量;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要使用热气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测量。

因此,在小于0.3厘米的波段,人造卫星可以在大气层外大显身手。其中比较著名的两颗(也是主力军)正是COBE卫星(宇宙背景探测者)和Planck卫星(普朗克卫星)。小星在此重点介绍COBE卫星。

No.1

COBE卫星(宇宙背景探测者卫星)

COBE卫星(图片来源于NASA)

(一)起源

1974年,NASA公告了一个让天文学家参与的中小型探险家计划。从外界获得了共计121个提案,其中有三个是用于研究宇宙微波背景辐射的。虽然这些案子未能被红外线天文卫星(IRAS)接受,但三个提案已经很清楚地传达给NASA一个讯息。1976年,NASA集合1974年这三个提案团队,重新提出一枚联合概念的卫星计划。1975年时,这个新团队提出可以发射绕极卫星,用于探测宇宙微波背景辐射,并称之为宇宙背景探测者。

(二)好事多磨的发射

一个伟大的工程总是有一个曲折的开始,COBE卫星也不例外。起初计划于1988年由航天飞机发射,但是由于挑战者号的灾难导致航天飞机停飞,而使其被延搁。万幸的是NASA允许COBE的工程师寻求其他的运载器及发射场来发射COBE。最后,卫星于1989年11月18日由德尔塔火箭发射进入太阳同步轨道。

COBE的发射(图片来源于NASA)

(三)探测器所携带的主要仪器

1、远红外线游离光谱仪(FIRAS):用于测量宇宙微波背景辐射谱;

2、漫射红外线背景实验(DIRBE):用于测量尘埃的辐射;

3、微差微波辐射计(DMR):用于绘制宇宙微波背景辐射的各向异性。

人类首张月球照片(图像来源于网络)

在1845年4月2日,法国科学家菲索和傅科在巴黎天文台利用银板摄影技术拍摄到日面照片,照片上可以看见太阳表面的黑子,这为研究太阳黑子提供了大量资料与数据。

COBE的主要结构(图片来源于NASA)

(四)轨道特殊性

COBE位于高度900公里、倾角99°的圆形太阳同步轨道上,在充斥着辐射和带电粒子的范艾伦辐射带上方,使得COBE得以终年处在地球上的昼夜交界处的黑暗之中。这样的轨道结合自转轴,使地球和太阳始终保持在屏蔽平面以下,从而经历半年的时间就可以充分的扫视整个天空。

(五)探测器的成果与意义

1、采集的数据形成了著名的宇宙背景探辐射图;

2、验证了大爆炸理论的模型,是人类在宇宙学道路中的里程碑;

3、证实了宇宙微波背景辐射的黑体分布,否定了加州大学伯克利分校与名古屋大学科学家小组的研究(此小组的研究认为宇宙微波背景辐射不是黑体辐射,对大爆炸理论提出质疑,他们的研究支持霍伊尔的稳恒态理论)。COBE的主要成员美国天文学家乔治·斯穆特和约翰·马瑟因“发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”而获得2006年诺贝尔物理学奖。

COBE卫星:宇宙微波背景辐射图(图片来源于NASA)

No.2

Planck卫星(普朗克卫星)

Planck卫星(图片来源于ESA)

普朗克卫星,对于小伙伴们而言应该是耳熟能详的干将。人们对于它的认识多源于2013年3月21日公布的宇宙微波背景辐射图,那是根据其传回的共计15个月的数据绘制出的。

Planck卫星:宇宙微波背景辐射图(图片来源:ESA)

作为后继者,“普朗克”携带了更为精密的探测仪器,以其分辨率为例:“普朗克”的分辨率达到了5000万像素,而之前分辨率最高的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的分辨率仅为600~800万像素。同时,“普朗克”可达到的最低工作温度为0.1K,也比之前低了不少。

(一)发射时间、运载工具及发射地点

2009年5月14日格林尼治时间14日13时12分,法属圭亚那库鲁航天中心,阿丽亚娜5-ECA型火箭将普朗克卫星与赫歇尔空间天文台一同发射升空。

普朗克卫星与赫歇尔空间天文台的发射(图片来源于ESA)

(二)收获

1、以前所未有的精确度很好地验证了宇宙标准模型;

2、宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设,而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比预言中少,占不到70%;

3、测得哈勃常数H0=67.66±0.42公里/(秒·百万秒差距),这个数据意味着宇宙的年龄约为138.2亿年;

4、最近一项对普朗克卫星数据分析的研究表明,宇宙可能是一个封闭的三维球面,这推翻了近年来的主流观点,即宇宙是无边无际的平坦三维空间。

参考资料

1宇宙背景探测器,科普中国,https://cloud.kepuchina.cn/search/imgText?id=444724

2、“普朗克”宇宙辐射探测器,百度百科,https://baike.baidu.com/item/%E2%80%9C%E6%99%AE%E6%9C%97%E5%85%8B%E2%80%9D%E5%AE%87%E5%AE%99%E8%BE%90%E5%B0%84%E6%8E%A2%E6%B5%8B%E5%99%A8/5323646?fr=aladdin

3、普朗克宇宙辐射探测器,百度百科,https://baike.baidu.com/item/%E6%99%AE%E6%9C%97%E5%85%8B/2908543

4、NASA,https://www.nasa.gov

 

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