普朗克空间望远镜观测到的宇宙微波背景极化图像

图片来源：欧空局普朗克合作组

对欧洲空间局（ESA）普朗克航天器所收集数据的首次全面分析，解决了早期宇宙学研究提出的一些难题，却使得暗物质之谜更加扑朔迷离。普朗克团队并未解决围绕今年3月宣布的宇宙大爆炸引力波而产生的争议。不过，他们计划在接下来的一项研究中重点关注该问题。

普朗克空间望远镜产生了迄今最为详尽的宇宙微波背景（CMB）全景图。CMB是138亿年前宇宙爆发性诞生时残留下来的辐射。这些图像基于普朗克自2009年发射到2013年退役4年间的全部观测结果，同时包括了CMB的温度和极化信息。

去年发布的初始图只是利用了最初15个月的数据，并且仅包含有关于温度的数据。今年早些时候，研究团队发布了由星系尘埃所致、在揭示原始背景辐射时必须去掉的极化信息。“几乎在整个天空，星系会产生很多微波信号中的‘噪音’。”来自普朗克团队的天体物理学家Nazzareno Mandolesi在一次会议上展示了最新的普朗克观测结果。此前，这种噪音被认为只在接近可见银河系的部分天空中存在。

这些观测利用CMB研究早期宇宙极小的温度波动，而宇宙中的所有结构均产生于此。研究结果再次确认了宇宙演化的标准模型。不过，科学家对早期已探测到暗物质证据的说法提出了质疑。暗物质是一些看不见的粒子，其重力维持着星系不会彼此飞离。

暗物质之谜同意料之外的宇宙射线中过量正电子有关。正电子是电子的反物质“搭档”，也是一类绕着星系旋转的高能粒子。曾有理论预言，在高能量下正电子与电子的比率应该低于较低能量下的比值。然而，去年来自国际空间站粒子探测器——阿尔法磁谱仪的观测结果显示，正电子与电子的比率实际上随着能量的增加而提高。这印证了美国宇航局（NASA）费米伽马射线空间望远镜和欧洲PAMELA卫星此前的观测结果。

研究人员曾提出过量正电子是由碰撞产生的，而在此过程中暗物质粒子彼此消减，产生包括正电子在内的“碎片雨”。不过，这种解释只能同那些证明粒子以很高速度碰撞并且消减的暗物质模型一致。

这些碰撞也有可能发生在宇宙早期，尤其是在宇宙大爆炸发生后的约38万年CMB被首次释放到太空时。如果当时暗物质粒子碰撞的可能性和现在一样高，普朗克会在CMB上探测到它们的印迹。然而，普朗克团队成员、来自巴黎天体物理研究所的Francois Bouchet表示，事实并非如此。正电子信号或许仍要归结于暗物质，但前提是宇宙早期暗物质碰撞的可能性比现在低很多。这在一些暗物质模型中是可能的，但在另一些模型中则行不通。

尽管科学家似乎排除了一类暗物质模型，但最新普朗克数据证实宇宙质能总量中有26%是暗物质构成的。Bouchet解释说，普朗克提供的图像还验证了一个理论，即宇宙在“婴儿期”经历了一段短暂却急剧的增长，又被称为宇宙暴涨。最初的普朗克数据已为暴涨提供了证据，正如包括NASA威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）在内的此前实验所显示的一样。不过，Bouchet表示，最新的普朗克数据分析得更加深入，并且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距离尺度上平均而言完全相同。

普朗克合作组成员、加拿大理论天文物理研究所理论学家Dick Bond介绍说，标准宇宙模型正处于一个非常好的发展态势。来自普林斯顿高等研究院的宇宙学家Matias Zaldarriaga对此表示赞同。“总体而言，标准模型看上去可以继续适用。误差线已经减小，而且还未有异常情况出现。”Zaldarriaga说。

与此同时，Bouche表示，新的普朗克图像排除了普朗克和WMAP数据关于密度、物质分布等宇宙参数上的不一致。“现在，普朗克的数据更加接近WMAP。”

另一个由此前宇宙数据产生的不一致，涉及第一代恒星形成并产生足够紫外线将星际介质中的氢原子电离时的宇宙年龄。WMAP的结果表明，宇宙在大约4亿岁时，这些恒星形成。不过，对类星体发出的光进行观测发现，这些恒星在宇宙诞生后的7亿到8亿年间形成。Mandolesi表示，目前来自普朗克的最新CMB数据集中在类星体的质量上。

全面的普朗克数据分析还证实，被称为中微子的亚原子粒子的确以3种类型存在，而测量的误差范围比2013年小了30%左右。结合来自其他望远镜的观测结果，数据显示3种已知中微子类型的总质量小于0.21电子伏特（1个电子的质量约为51.1万电子伏特）。Mandolesi认为，这使得第4种中微子类型，即所谓的“惰性中微子”不可能存在。

12月22日，ESA将把全部普朗克数据放到网络上。明年某个时候，普朗克团队希望能发布和位于南极的BICEP2望远镜团队共同分析的结果。宇宙学家则期望，这将证实BICEP2在今年3月宣布的争议性信号是否为来自星系尘埃的原初引力波的证据，或者只是来自星系尘埃的噪音。（宗华）