宇宙中最重要的图片:新原理研究所(ID: New Principia)，布拉姆·博罗森，平克雷/温温设计。标题图片来自:星际宇宙微波背景(CMB)是宇宙最早期的一张照片(图1)，展示了覆盖在天空的冷点和热点。隐藏在这张宇宙婴儿图中的秘密，将带领我们扫清弥漫宇宙的层层迷雾——宇宙为什么会膨胀，可能远超普通原子物质的暗物质和暗能量是什么，空间是如何弯曲形成的，早期宇宙中回荡的声音是什么。这幅图像也给了我们很大的信心去追溯更早时期的宇宙历史。图1:根据普朗克遗产公布的数据绘制宇宙微波背景。图中显示的天空是按照银河系定向的，银河系的辐射干扰已经被去除。然后通过“摩尔韦德投影”将天空映射成椭圆。(图/欧洲航天局和普朗克合作组织)CMB辐射为一个简单的故事提供了有力的证据，那就是宇宙自大爆炸以来膨胀了约138亿年。这种辐射似乎来自一种很厚的气体，它所揭示的唯一信息就是温度(理论上的理想黑体辐射)——大约2.73K K，这个温度在各个方向上几乎都是一样的，大部分差异只有1/10万，最大的差异也只有1/10000。在图1中，通过使用对比鲜明的红色和蓝色，清楚地显示了较热点和较冷点之间的微弱差距。科学家通过研究天空中不同方向的CMB为什么不同(即辐射的“各向异性”)，把宇宙学变成了一门定量科学。如今，一个名为“λ CDM”的模型已经得到了清晰的描述和广泛的支持，因为科学家发现宇宙中的大部分能量以暗能量(在爱因斯坦的引力方程中用“λ”表示，在其他方面没有发现)和冷暗物质(CDM，一种具有引力效应但只与已知物质发生微弱相互作用的假想物质)的形式存在。虽然λλCDM是宇宙学的标准模型，但它所依赖的暗物质和暗能量却不愿露出真面目。CMB发现之前的宇宙学家经常假设“宇宙原理”陈述在更大的尺度上，宇宙几乎是均匀的(密度均匀)和各向同性的(空间中不同的方向不能通过物质的分布和它们的速度来区分)。1915年，爱因斯坦的广义相对论取代了牛顿的引力理论。广义相对论将引力解释为空间和时间的弯曲。为了让宇宙保持静止(即宇宙不会膨胀或收缩)，爱因斯坦在1917年特意在他的引力方程中加入了一个额外的项——宇宙常数，用“λ”来表示。图2:爱因斯坦的场方程是广义相对论的核心方程。爱因斯坦方程的解是在宇宙学原理适用且λ = 0的前提下得到的。这些方程的一个具体解可以描述空间和时间如何在数学上弯曲，从而影响所有物质在引力作用下的运动。这个解表达的是，宇宙中的一切都必然在膨胀，但这种膨胀在引力的牵引下是缓慢的。这个解允许空间本身的“曲率”有三种可能，即空间可以是“正曲率”(像球体一样闭合)、“零曲率”(直线)或“负曲率”(像马鞍一样延伸)。如果宇宙平均能量密度过大，那么空间曲率为正；如果平均能量密度太低，则空间曲率为负；如果恰好在“临界密度”，那么这个空间就是平的。这三种空间带来了宇宙三种完全不同的终极命运:在引力的作用下，宇宙要么减速开始收缩，要么永远膨胀，要么在这两种可能性之间继续膨胀。图3:上图:宇宙膨胀的历史，纵轴代表尺度，横轴代表时间。下图:描述了对应于负曲率、零曲率和正曲率的空间。1929年，在找到这些答案后不久，埃德温·哈勃和他的助手赫马森提出了哈勃定律(现在被称为哈勃-勒迈特定律)。根据哈勃定律，一个星系离我们越远，它离我们就越快。每个星系的速度是通过其光谱波长的变化来衡量的。当物体远离我们时，波长变长，发生“红移”；当一个物体靠近我们时，会发生“蓝移”。哈勃定律表明爱因斯坦方程的解其实是正确的——宇宙在膨胀。爱因斯坦因此放弃了他加到方程式中的宇宙常数。但即使宇宙不是静态的，我们可能仍然需要一些可以充当爱因斯坦宇宙常数的东西，比如暗能量。研究人员通过观测白矮星的灾难性爆炸(即“超新星”)来测量白矮星的位置，从而可以在更遥远的星系中测试红移与距离的关系。他们发现，宇宙在引力的作用下不是减速，而是加速膨胀。为什么？没人知道，但姑且称之为暗能量吧。图4:从今天的角度来看，如果暗能量的来源是宇宙常数，它不仅没有让宇宙保持静止，反而加速了宇宙的膨胀。根据哈勃定律，宇宙应该诞生于大爆炸，但这种说法并没有让所有人信服。稳态理论曾经是一个强有力的竞争模型，是基于广义宇宙学原理的理论。它所表达的是，在我们的宇宙中，不仅所有的地方都是一样的，而且它们在任何时候都应该是一样的。在大爆炸所描绘的画面中，在遥远的过去，物质会更紧密地结合在一起。稳态理论认为，随着宇宙的膨胀，会形成新的物质，从而保持平均密度不变。神秘的信号来自四面八方1948年，乔治·盖莫夫、拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼意识到早期宇宙可能充满了我们今天仍能探测到的辐射。虽然这些辐射是由极热气体产生的，但它们会受到宇宙红移的影响。宇宙的膨胀是空间尺度本身的膨胀。热宇宙(温度约3000K)中的大部分辐射一开始波长都很短，但随着宇宙中距离的不断扩大，这些辐射的波长也变长了。图5:当电子自由漫游时，它们可以散射任何能量的光子，但当它们被囚禁在原子中时，它们只能在一些允许的能级之间跳跃。当宇宙冷却到3000K左右，能散射所有能量光子的自由电子就少了，于是宇宙最终变得透明。1964年，科学家意外发现了预言中的CMB。当时，彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊试图用喇叭天线寻找从通信卫星反射的无线电波。为了降低探测器里的噪音，他们什么都试了。当鸟类在触角上筑巢(并乱拉粪便)时，它们将鸟和巢一起移走，彻底清理鸟造成的凌乱景象。尽管如此，天空中还是有一个神秘的信号从四面八方传来。于是他们咨询了当时正在试图观测CMB的一些普林斯顿大学的研究人员，得出的结论是，这一定是CMB。稳态模型解释CMB说这些辐射是被尘埃散射的星光。随后对CMB光谱(不同频率下的亮度)的测量表明，它几乎是一个完美的黑体。而一个完美的黑体必须来自所有温度相同的物体。这说明CMB不能被来自不同恒星的大量尘埃反射，所以稳态模型失去了地位。图6:6:COBE测得的CMB谱与黑体辐射几乎完全一致。(图/维基百科共享资源COBE结果)更精确的CMB测量需要在高海拔地区进行，尤其是像山顶、南极或太空这样的干燥地区。因为地球大气中的氧气和水也会吸收和释放微波，从而混淆CMB信号。再者，来自大气的微波是随方向变化的，这就无法区分哪个温差来自中巴本身，哪个只是受大气影响。地面观测对于获取清晰的CMB图像非常有效，但其缺点是只适用于天空中的小区域。很快，地面观测在CMB温度图上发现了一个偶极子。在天空中的某个方向，辐射的波长较长，反之，辐射的波长较短。我们所有人都在以370 km/s的速度在太空中运动，包括我们的结构(太阳系、银河系、本星系群)相对于CMB本身的运动。宇宙背景探测器(COBE)是第一颗从太空绘制整个微波天空的卫星，它也发现了一些微弱的不规则性。我们目前所处的宇宙并不是完全同质的。现有的所有星系图(如CfA、2度视场星系、斯隆数字巡天和其他“红移巡天”绘制的星系图)都显示宇宙中存在“墙”和“巨洞”，这表明星系在这些区域要么特别集中，要么几乎不存在。要形成这种情况，宇宙在更早的时候一定是略有不平的。图7:7:2DF红移巡天绘制了延伸数十亿光年的星系分布，并显示了测量结果。根据哈勃定律，可以很容易地测量出一个星系的红移与它的预期距离成正比。从图中可以看到星系的壁和巨洞。每个像素都是一个星系。天空中的方向由赤经坐标给出，赤经坐标是按照24小时来测量的。某些方向的视野被我们的星系挡住了。(图/www.2dfgrs.net)威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)绘制了一幅更清晰的天空图，它将COBE观测到的波动转化为一种可以精确测量宇宙性质的工具。图1中显示的最清晰的CMB图是由欧洲航天局运营的普朗克卫星测量的。这三个卫星天文台——COBE(1989-1993)、WMAP(2001-2010)和Planck(2009-2013)在各自的时代绘制了覆盖整个天空的最佳CMB图。图8:聚焦CMB的三个卫星观测站的分辨率(分辨小角度细节的能力)对比。(图/NASA、欧洲航天局喷气推进实验室)如何测量CMB？在进行一些修正之前，CMB望远镜无法看到如图1所示的图片。这是因为望远镜得到的直接图像是CMB和前景微波的结合，我们必须去掉后者才能看到CMB本身。微波的前景来自我们生活的银河系。银河系大部分像烙饼一样平，也没有遮住整个天空。在银河系中，最常见的微波辐射源来自被磁场或其他带电粒子加速的尘埃和电子。现在，有许多不同的技术将银道面附近的CMB从微波前景中分离出来。当科学家们分析图1所示的CMB图像时，他们不会逐个像素地进行分析，而是会分析一个总结图像中统计信息的功率谱。图1显示了温度高于或低于平均值的随机重叠点。这些斑点大小接近1度吗？还是半度左右？(整个天空是360度)图9显示的是一个功率谱，它总结了图像在每一个可能的角度的变化。图9:普朗克卫星观测到的CMB温度功率谱。带误差条的红点代表测量结果，蓝线代表λλCDM模型的预测。(图片/arXiv:1807.06205)听，来自早期宇宙的声波。那么，CMB是如何揭示宇宙秘密的呢？通过听一个东西的声音，我们可以获得里面的很多信息。比如，你想知道盒子里有什么，你可以通过摇动盒子来听声音猜测。我们常常可以通过一个人的音高来判断他的体型(低音越深通常意味着体型越大)。不同的乐器即使演奏相同的音符，听起来也会不一样。如果有人吸入氦气，他们的声音会短暂变得尖锐。我们还可以通过在CMB上留下印记的声音，探索宇宙中的自由电子和质子结合成氢原子之前(重组期) (宇宙诞生后的38万年前)宇宙有什么。这些声波或重子声振荡(BAO)是由早期的原始波动产生的。根据CMB的说法，这些涨落应该是绝热的，也就是说物质、暗物质和光子的密度会一起增加或减少。这些早期波动是由不同波长的重叠波组成的。在波密度特别高的地方，会有额外的向外压力。除了引力，暗物质对其他力只有微弱的反应，感觉不到这种推力，所以能保持不变。光子和物质最终会一起远离暗物质。光子被电子散射，带负电的电子通过电把带正电的原子核拉在一起，这样光子、电子和原子核的运动就会互相牵制。最终的结果是，在波密度特别高的区域，光子和物质组成的声波会以60%光速的速度从暗物质中传播出去。在自由电子和质子重组为中性氢原子之前，光子和物质的波会来回振荡。当物质和光子向外膨胀时，压力会降低，暗物质的引力又会把它们拉回来。在重组期(CMB形成时)，光子开始自由穿梭，没有光子，物质停止来回振荡。图10:值得注意的是，还有其他方法来观察导致声学峰值的振荡。这里展示的是一个所谓的“同步标准”视角，即与暗物质一起运动。同步标准透视用于描述广义相对论框架下的宇宙膨胀。“压缩”和“稀疏”在牛顿标准中可能更好理解。波长与声视界匹配的波的密度被重子声振荡放大。在重组中，声波能传播的最远距离称为声波视界。如果声波视界是波动波长一半的倍数，那么这个波长的原始波动就会在CMB功率谱上留下特别清晰的信号。这是声学峰值，对应于图9中的凸起。在λλCDM模型下，科学家可以利用峰的位置和强度，以某种方式测量宇宙的方方面面。例如，他们可以:创建特定的模型。描述最初的密度波动，如何模拟重子声学振荡来修正这些波动，以及宇宙的后期历史如何能稍微改变CMB。选择要与模型进行比较的数据。这可以是温度功率谱、偏振功率谱(参见下面关于偏振的讨论)，或者两者，或者CMB谱和其他天体物理测量的组合，例如来自星系红移巡天的测量。更改模型的参数，直到模型做出最接近数据的预测。如果你的电脑上安装了Flash，你可以在WMAP的网站上尝试这样一个简化的练习。这里有一个例子。图11从上到下展示了三个不同年龄和直线度的宇宙模型。当平坦度为1时，表示宇宙完全是平的；当平坦度小于1时，说明宇宙是一个开放的宇宙，曲率为负；大于1意味着宇宙是一个正曲率的封闭宇宙。图11(I)所示的饼状图显示了宇宙中有多少能量以普通物质(原子)、暗物质和暗能量的形式存在。通过移动饼图下方的三个滑块，可以控制λλCDM模型的输入参数。(ii)显示了通过WMAP观察到的CMB功率谱(红色)和在当前参数下形成的模型的CMB功率谱(蓝色)。(iii)在功率谱的底部显示了如果这个模型是真实的，天空中的CMB将会是什么样子。图11:通过调整CMB分析仪中的不同参数获得的宇宙模型。a:负曲率宇宙模型；b:正曲率宇宙模型；c:曲率为1的宇宙模型。(一)饼状图显示宇宙中总成分(物质+暗物质+暗能量)与临界密度(黑圈)的对比；(二)功率波动图显示了模型预测(蓝线)和观测(红线)的第一个声峰出现角度的比较；(iii)中巴在目前的情况下会是怎样。(图/https://wmap . gsfc . NASA . gov/resources/CAMB _ tool/index . html)根据所选择的物质和能量构成，当平直度为0.3(一个开放宇宙)时，第一个声学峰值出现在小于1度的角度。让我们只改变一个输入再来一次——把暗能量增加到临界密度的100%。现在平坦度是1.26(一个封闭的宇宙)，第一个声学峰出现的角度比观测峰大。当平坦度为1时，由平坦度几何预测的第一个声学峰值应该出现在1度附近。如果我们看第三个例子，我们可以看到它确实发生在那里。为什么第一声峰是测量宇宙扁平度的绝佳方法？CMB辐射中的峰值应该通过可以容易计算的声学视界的大小来区分。天空中的距离是如何转换成角度的？类似地，从图12中可以看出，在物理尺度上，相同的角度在封闭几何结构中比在直线几何结构中更小。换句话说，为了得到相同的物理尺寸，封闭几何中的角度需要更大。从我们的模型中可以看出，由封闭几何形状(在已知的物理尺寸下)预测的第一声峰看起来更接近2度，而不是观察到的1度(与平坦度一致)。图12:在直线空间和封闭空间，角度和距离的关系是不同的。功率谱所能测量的不仅仅是平直度，它还以一种非常微妙的方式向我们揭示:普通(重子)物质是多么普遍；宇宙的膨胀速度；它质量极小，指的是中微子粒子与普通物质相互作用微弱的性质；以及宇宙其余的历史——复合后很久才发生的物理过程仍然可以影响CMB光子(通过散射、引力透镜等。).结合其他天文知识，CMB功率谱让我们发现暗能量并没有随着时间的推移而发生太大的变化，这说明它的行为确实类似于爱因斯坦的宇宙常数。解释如图7所示的红移巡天中星系的聚集。指数膨胀观测到的宇宙几何如此接近完美的平坦，这是对暴胀理论的一个印证。根据暴胀理论，宇宙在非常早期的时间经历了一次非常迅速的膨胀，从宇宙诞生后的10-36秒开始，一直持续到10-32秒，从而产生了热爆炸！10-36秒是什么概念？如果拿一秒钟和宇宙138亿年的年龄比，会得到一个很微小的分数。10-36秒和1秒之间的比值相当于这个分数乘以这个分数(例如，* =)。阿兰·古斯和安德烈·林德首先提出膨胀来解释为什么宇宙几乎是平的。暴胀的迅速膨胀会使空间的任何曲率变平。膨胀也可以解释为什么CMB辐射如此均匀，否则就没有足够的时间来均衡不同区域的温度。暴胀也解释了声波变化最早的波动:我们在微小距离和微小时间的物理规律(量子力学)可以产生随机结果，这些结果会通过膨胀被放大到更大的尺度。暴胀给出了一个简单的数学猜想，描述了重子声波振荡之前，密度在空间中会如何波动。那么，它与中巴数据的一致性如何呢？虽然搭配的很好，但并不完美。普朗克卫星测量实际上排除了这个简单的预测，但许多科学家认为，膨胀可能比最简单的模型更复杂。膨胀理论是一个雄心勃勃但有争议的尝试，旨在理解宇宙大爆炸后一秒钟内发生的事情。那么我们能在通货膨胀方面取得什么进展呢？一种方法是通过偏振测量。无论是可见光还是微波，电磁辐射都携带电场和磁场。因此，这些电场和磁场具有不同的可能方向，这被称为极化。当这些场在某些方向上更常见时，我们说辐射是偏振的。偏振有两种，即E模式和B模式。b模式偏振可由引力透镜、引力波或宇宙尘埃引起。2015年9月，广义相对论预言的引力波首次被美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)探测器探测到——它们是由经历巨大加速度的大质量物体产生的。2014年，南极的BICEP-2探测器团队宣布，他们发现了来自引力波的印刻在CMB上的B模式偏振，但事实证明，这一发现完全是由宇宙尘埃引起的。但是来自原始引力波的B模式偏振将是一个令人兴奋的发现，它可以提高对暴胀的成功预测，并提供超越现有宇宙学图景的线索。或许，我们还可以希望BICEP-3或美国宇航局的原始膨胀偏振探测器(PIPER)气球天文台可以从引力波中找到B模式偏振。拨开宇宙迷雾的λλCDM模型，假设我们的宇宙由暗能量、暗物质、光子、中微子和普通物质组成。有一系列证据支持，包括CMB。它还假设广义相对论是描述宇宙的正确理论。这种模型通常被称为和谐宇宙模型，因为它的结果通常与我们从完全不同的主题(大爆炸后前三分钟形成的元素丰度和红移巡天中看到的星系)中所知道的一致。当我们用温度涨落的分析方法来分析E模偏振的涨落时，也会得到同样的结果。这给了我们很大的信心用模型和普朗克的CMB数据来测量宇宙的许多奥秘:简而言之，对CMB的研究为科学家提供了一个公认的宇宙图景，这个图景是通过数值测量来完成的。虽然面临一些非常混乱的事故，但我们对这幅图充满信心。人们常说“天空就是极限”，研究天空中微波余辉的天文学家们正在试图突破这一极限，因为在宇宙大爆炸38万年后，一层厚厚的“雾”开始变得透明。新原理研究所(ID: New Principia)，作者:Bram Boroson，设计:pink ray/温温此内容为作者独立观点，不代表虎嗅立场。未经允许不得转载。请联系hezuo@huxiu.com获得授权。如果你对这份手稿有任何异议或抱怨，请联系tougao@huxiu.com。