古老的光如何揭示宇宙的内容

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我n 2003年初,查克·贝内特了解了宇宙的具体内容

到那时，大多数宇宙学家已经得出结论，宇宙包含的东西比我们看到的要多得多。对旋转星系的观察表明，不可见物质的支架将它们的恒星固定在一起，而排斥形式的能量将星系分开。为了了解更多信息，班尼特和他的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)团队花了一年的时间收集来自各个方向的微波，这些微波来自很早以前就离开了它们的来源，当时宇宙只有38万年的历史。通过拍摄这张年轻宇宙的照片，WMAP团队可以确定它的年龄和形状，并确定它包含多少所谓的暗物质和暗能量。

约翰·霍普金斯大学的天体物理学家贝内特回忆道：“突然之间，我们有了这个数字列表。”。

这个团队宣布了他们的第一个后果2003年2月。他们绘制的“宇宙微波背景图”(CMB)在随后的几年里得到了完善。这张图显示，我们熟悉的行星、气体和恒星等物质只占宇宙的4.6%，而看不见的暗物质则占24%。宇宙饼图中剩下的71.4%是暗能量，暗能量被认为注入了空间本身的结构。这些数字改变10年后，WMAP的继任者普朗克卫星拍摄了一张更清晰的CMB图像。而其他关于暗能量和暗物质的证据仍然存在有争议的在美国，他们在宇宙微波背景中的指纹几乎是毋庸置疑的。

他说，CMB“即使不是最重要的，也是现代宇宙学的支柱之一。”Yacine Ali-Haimoud他是纽约大学的天体物理学家。

以下是宇宙是如何在宇宙微波背景下写出这样一条有说服力的信息的，以及研究人员是如何学会阅读的。

起初，在微波离开它们的源头之前，宇宙是一种几乎没有特征的流体，由暗物质和可见物质组成。在宇宙最初的几十万年里，这种原始物质曾经发出白热的光芒，然后冷却成浅橙色。光线在被邻近的粒子反弹之前不能传播很远。这种散射的光使液体呈雾状并保持压力。

但是今天的恒星和行星的种子已经播下了。自然界中没有什么是完美的，光滑的原始汤曾经有过如此轻微的凝结，有些区域的密度比周围的液体高出千分之一，有些区域则薄得多。

重力把物质拉到一起，光波把它们分开，液体就会晃动。这种拉锯战使稠密的点变薄，因为多余的物质向外溢出，而使稀薄的点变厚，因为物质向内冲。当一个区域变得太薄时，粒子会再次涌入，反之亦然，所以每个斑点会在高密度和低密度之间来回摆动。幸运的是，物理学家拥有所有他们需要的理论工具来分析简单流体在合理温度下的波动。Ali-Haïmoud说:“这个物理学真的很古老。”

CMB捕捉特定时间的晃动流体。在大约38万年的膨胀之后，宇宙冷却到足以让质子和电子配对成氢原子，这一事件被称为重组。由于几乎没有带电粒子可以撞击，光束突然变得自由，释放了压力，并将密度团冻结在原地。从那时起，不断膨胀的宇宙将释放出来的光线的波长拉伸成微波。通过从天空中收集它们，WMAP和普朗克望远镜捕捉到了早期宇宙和其中的物质。他们的地图显示了一种由密集的斑点和较薄的斑点组成的斑点模式，这是通过微波测量到的温度升高或降低几度来表示的(就像蓝色表明火焰比黄色更热)。

破译CMB凌乱涟漪的关键在于，重组赋予了一系列特定的斑点持久的宇宙意义。考虑到一个原始物质的大团块，足够大到需要380000年才能完全变薄，在这一点上，复合将它冻结成一个永恒的稀薄点。较大的斑点没有时间完全变薄，较小的斑点会再次开始变厚。一组特定的小水滴有足够的时间从峰值厚度到峰值厚度再回到峰值厚度。还有一组更小的点恰好完成了三次转换，其他四次。

研究人员分析了CMB的重叠静态，方法是将地图模糊到不同程度，并绘制出他们看到的密度变化。由此得到的图被称为CMB功率谱，它有一系列的峰值，代表在复合时达到最大厚度或厚度的特殊斑点的大小。如果宇宙不是这样发展的，或者包含了其他的宇宙混合物，那么一种不同的音调模式就会冻结在重组中，科学家可以分辨出这种模式，就像耳朵可以分辨出钢琴和单簧管一样斯科特Dodelson他是卡内基梅隆大学的宇宙学家。

在现代天空中，最大的斑点跨度为1度角，大约是满月宽度的两倍。由此，宇宙学家可以推断宇宙的形状，空间是平的，平行光线保持平行，还是像马鞍或球体一样弯曲。物质和能量曲线空间，我们体验到的重力效应。与此同时，宇宙的膨胀使空间变得平坦，有一段时间宇宙学家不确定是否有一方获胜。不同的曲率会使CMB中最大的斑点看起来更大或更小（想想如果我们把地球变平，非洲和格陵兰岛的表面大小会如何扭曲），但最大斑点的1度大小符合对平坦宇宙的预期。WMAP发现了一个有足够内容的宇宙，使光线能够真实地飞行在0.4百分比。

较小的水滴揭示了宇宙的组成。它们的大小，以及它们的厚度或厚度，取决于液体的成分，就像蛤蜊杂烩汤和鸡汤的飞溅不同。在原始流体中，暗物质感受到重力的拉动，但不是光线的电磁推力。正常物质对两者都有反应。特斯拉Jeltema他解释说，研究人员可以通过比较大小不同的液滴向内和向外晃动的强度来区分这两种流体成分——功率谱中峰值的相对高度。

还没有人识别出暗物质粒子，但CMB揭示了这种难以捉摸的物质的大规模行为。Ali-Haïmoud将这种情况比作前现代科学家在不知道水的化学式是H2O的情况下就理解了浮力和压力。任何试图解释暗物质的明显影响的尝试，例如调整引力定律必须与原始流体的特殊脉动相匹配。没有模型还没有奋起迎接挑战

与此同时，暗能量在宇宙的年轻化过程中扮演着微不足道的角色。它的存在可以从CMB的指示中推断出来，即今天的宇宙是平的。测量的暗物质和可见物质的数量只是没有足够的力量使空间变得平坦。但在现代宇宙中增加71.4%的暗能量，一切都会平衡。

这幅图并不完美，因为最近的天文观测表明，今天的宇宙是完美的扩大速度比CMB配方所暗示的要快。但是WMAP和普朗克数据为理论家们寻找恒星和星系运动的非黑暗解释设置了一个很高的标准。“现在我们有了这些详细的地图，”Dodelson说，“宇宙微波背景本身就非常擅长获取几乎所有信息。”

查理·伍德（Charlie Wood）是一名报道地球内外物理科学发展的记者。他的作品发表在杂志上科学美国人，基督教科学箴言报和《生活科学》等出版物。此前，他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语，并在布朗大学获得物理学学士学位。