

普朗克已經在太空中獨自旅行429天了。
自從去年一個明亮的秋日下午,這個著名的太空探測器在南美洲被送上太空。在距離它150萬公裡的地球上,數千名科學家都在等待著它帶回的信息。
7月5日,歐洲航天局(ESA)選擇在意大利都靈舉辦的2010年歐洲科學開放論壇(ESOF2010)上發布由普朗克拍攝的首張整個宇宙全景圖。
在這場以“科學的熱情”為主題的論壇上,這張迄今為止最清晰的宇宙地圖贏得了來自世界各國的科學家和民眾最熱烈的掌聲。第二天,這張圖片就占據了歐洲各大報紙的封面。一位來自“普朗克任務”小組的科學家驕傲地說:“這是全球上千名科學家,近20年努力的結果。它有可能解答困擾天體物理學界整整一代人的問題。”
那縷光究竟有多古老,你簡直難以想像
為了紀念量子物理學奠基人馬克斯·普朗克,這個對天體物理學界意義非凡的探測器被授予了同樣的名字。
不過,與科學家普朗克禿頂又蓄濃重八字胡的外貌毫無相似之處,探測器普朗克是個重達兩噸、充滿金屬感的大塊頭。“普通人可能會認為它長得有點怪,但我覺得它美極了。”項目科學家簡·陶伯(Jan Tauber)這樣告訴中國青年報記者。
普朗克收集的也是這個宇宙間最美麗的元素——“宇宙中最古老的光”。
在歐洲航天局官方網站上點擊率已經超過百萬的圖片上,最引人注意的是一道燦爛的“銀河”。它穿越了圖片的中心地帶,周圍湧動著冰冷的塵埃流。不過,那條閃亮的銀鏈並不是整個銀河系,也並不能從其中看到任何恆星。
“普朗克只能記錄長波光,因此我們並不能像抬頭望向天空時那樣看到恆星的光芒(短波光)。”研究者們小心地提醒著觀看者。
這個敏感的探測器捕捉的其實是塵埃雲。塵埃雲是星際空間中密集在一起的氣體塵埃。雖然這些塵埃和氣體很厚,它們的數量之大足夠形成恆星或行星。那段極其燦爛的銀鏈也正是銀河所處的位置。
研究者對兩個光芒黯淡的區域更感興趣,它們位於地圖的最上方和最下方,鐵紅色背景中灑著一些橙色斑點,這就是著名的宇宙微波背景輻射,即這個宇宙最古老的光。
“那一縷光究竟有多古老,你簡直難以想像。”一位天文學專業人士發出這樣的驚嘆。普朗克之所以能夠拍攝到如此古老的光束,是因為他們之間的距離實在太遠了,就好像天文學上一個著名的說法,“當你仰望天空時,你總是只能看到過去”。
這一切很容易理解。以太陽為例,它與地球有著1.5億千米的距離,盡管光已經是這個時空中跑得最快的田徑高手,但光線由太陽到地球仍需要8分20秒。因此,地球上的人類只能看到8分多鐘以前的太陽。
可這遠遠比不上那“最古老的光”,它很可能來自接近137億年前,宇宙大爆炸發生的38萬年之後。
捕捉到最古老的光,就可以研究最古老年代的物質
讓科學家們感到痴迷的,並不是宇宙微波背景輻射的出生年份,而是這些微弱的光芒可能幫助人們解答“宇宙起源”等聽起來相當玄妙的問題。
地圖中各種顏色實際上對應著不同的溫度起伏,而溫度的分布又對應著物質在宇宙中的分布狀況。捕捉到最古老的光,就可以研究宇宙中最古老年代的物質。
來自意大利國家天體物理研究所的科學家甚至相信,“通過分析這張地圖,人們將有可能尋找解釋宇宙起源和發展最適合的理論,可能找到愛因斯坦預言的引力波,可能發現宇宙有11個維度,還有可能發現平行宇宙1
在更多的科學家看來,這張地圖以及其尚未公布的觀測數據將極有可能解決一個“困擾天體物理學界整整一代人的問題”:從大爆炸到今天,宇宙間究竟發生了什麼。
大爆炸理論相信,137億年前,宇宙中所有物質都高度密集在一點,溫度極高,終於發生了大爆炸。大爆炸之後,物質開始向外膨脹、冷卻,並最終形成今天的宇宙。
但是,如果以今天的膨脹速率來看,那個最初直徑只有10-35米大小的宇宙,其內部空間不但不可能容納如此多的星球,甚至“將比這句話末尾的句號還要小得多得多”。
“暴漲理論”解決了物理學家們的煩惱。這個近30年來主導宇宙學的理論,可以提供一些反差極大的數字。比如,在10-36秒,一個接近於無窮小的宇宙,其直徑就膨脹到10 1,000,000,000,000米。
這是一個解決宇宙起源難題的好說法,卻並非所有人都買賬。至少就眼下而言,還沒有什麼人能找出究竟是哪股力量驅動了“暴漲”,又是哪股力量為“暴漲”叫停。
科學家們都在等待普朗克帶給他們的信息,“要麼支持暴漲理論,要麼否定它”。“暴漲理論是我們標准模型的一部分,但這個理論中也有許多變體,我相信普朗克可以將原有的暴漲模型範圍縮校”陶伯對“暴漲理論”很有信心。
“只有精細地測量宇宙微波背景輻射才能做到這一切。”對測量精確性的要求已經遠遠超出普通人的想像,探測器必須能夠區分出天空中不同兩點大爆炸光子百萬分之一甚至十億分之一的溫度差別。
為此,在普朗克的“心髒”,一張用於收集宇宙微波輻射的“蜘蛛網般的探測器”,也由太空中最先進的制冷系統冷卻到0.1開氐度。由此,它才能收集到那些“宇宙創生的余輝”。
這是技術和金錢間的較量。美國芝加哥大學宇宙學家麥克爾·特納對此毫不諱言:“這是一場激烈的競賽,人人都想得到瑞典的那塊金牌。”
我是多麼想知道宇宙最初的模樣
陶伯並沒有多大摘勸瑞典金牌”的信心,“宇宙微波背景領域的實驗已經兩次拿到諾貝爾獎了,我們想要拿到第3塊,可能性並不大。”
在這個領域中從來不缺少充滿競爭力的實驗,無數的科學家與他們的探測器一起,用盡一生力量尋找“宇宙的第一束光”。宇宙背景探測器(COBE)出生於美國宇航局,並於1989年發射,這顆了不起的探測器為COBE首席科學家喬治·斯穆特帶來了諾貝爾物理學獎。2001年發射的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)在精確度上更勝一籌,它的靈敏度和角分辨率分別是COBE的45倍和33倍。
但是,9年前就開始工作的WMAP並沒能解決有關宇宙起源最本質的問題,據說,“理論物理學家之間的爭論永無休止,WMAP的數據幾乎已經被榨干了”。
現在,科學界將希望賦予普朗克,它只需要半年時間就可以掃描到95%的天空。
“如果沒有對比,你很難順利地找到大爆炸後殘留在宇宙中的微波輻射。”斯穆特也看好遠在太空的普朗克,因為對比恰恰是這個敏感的探測器的長項,它將掃描天空中電磁光譜的9個波段,其中包括了伽瑪射線、可見光、無線電波等一切可能的輻射。
只是,陶伯承認,敏感的普朗克如今為地球拍攝的照片,仍然沒有被校准到需要的精確度。盡管這張令人震撼的地圖收集到了比WMAP多達15倍的信息,但眼下,它並不能為充滿火藥味的學術爭辯提供停戰根據。
銀河系是這張地圖中最燦爛的部分,但真正的科學研究必須從“剔除銀河系”開始。只有將閃亮的銀河系從地圖中“清除干淨”,那些由鐵紅色和橙色斑點組成的暗淡背景才是在整個宇宙中充斥著的“光的最原始的化石”。
“將我們最感興趣的光留下,讓其他光消失,這才是整個任務中最艱難的一部分。”陶伯說。這個巨大的工程已經耗資6億歐元(接近53億元人民幣),“但現在還沒有到慶祝的時刻,想要獲得最終的圖片,我們還只是剛剛起航。”
而在遙遠的中國,研究者們更關心,歐洲航天局會選在何時公布由普朗克捕捉到的宇宙間的數據信息。歐航局目前已經畫好了時間表,“我們將在2011年的1月為天文學家公布一部分數據,而宇宙學家所需要的更完整的數據,則要等到2012年年末。”
“這張照片只是對普朗克最終成果的一瞥。我們並不是給出一個答案,而是打開了一扇通往黃金理想國的大門。”顯然,全世界的天文學家都在期待最終結果出現的一刻,陶伯也是一樣,“你知道,我是多麼想要知道宇宙最初的模樣。”
就在這位已經陪伴這個項目整整17年的科學家接受采訪的時候,“大塊頭”普朗克從未停止工作。它仍在遙遠的太空獨自旅行,捕捉著宇宙中最古老、最微弱的光芒。