普朗克衛星

是歐洲航天局(ESA)在視野2000年的第三個中型的科學計畫。他被設計來以史無前例的高靈敏的角解析力獲取宇宙微波背景輻射在整個天空的的各向異性圖。普朗克巡天者將提供幾個宇宙學和天體物理學的主要訊息，例如，測試早期宇宙的理論和宇宙結構的起源。

基本介紹

• 中文名：普朗克衛星
• 外文名：Planck
• 別稱：普朗克巡天者
• 分類：人造衛星
• 距地距離：1.5×10^6 km(L2拉格朗日點，Lissajous軌道)
• 發射時間：2009年5月14日
• 波段：宇宙微波(CMB)
• 傳送者：歐洲航天局 (ESA)

簡介

普朗克巡天者已於2009年5月14日由亞利安五號火箭和赫歇爾太空天文台(Herschel)一起發射升空。這是和美國國家航空航天局合作的計畫，將補全威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)測量大尺度連漪的不足之處。 歐航局專家揚·托貝在發布會上表示，“普朗克”的一大成就是收集了數千個宇宙天體的數據，使得該機構能夠建立一份詳細的目錄，供天文研究者參考。此外，衛星還發現了不少星簇和隱藏在塵埃中的星系。

與尋常觀測衛星不同，“普朗克”的視野十分廣闊，可以對宇宙進行全景“掃描”。歐航局表示，要完成對宇宙的4次全景“掃描”任務至少還需要一年時間，屆時，科學家就可以掌握更加完整的數據。

“普朗克”實際上是一個宇宙微波輻射探測器。科學界普遍認為，宇宙誕生於距今137億年前的一次大爆炸。“普朗克”的探測結果將有助於科學家研究宇宙起源的奧秘。

在計畫獲準之前的企畫案名稱為宇宙背景輻射各向異性衛星和背景各向異性測量（Cosmic Background Radiation Anisotropy Satellite and Satellite for Measurement of Background Anisotropies.，縮寫為COBRAS/SAMBA） 在任務被核准後，更改為現在的名稱以尊崇在1918年獲得諾貝爾物理獎的德國科學家馬克斯·普朗克（1858-1947）。

最新天文圖片

之前最好的宇宙微波背景輻射圖片（左）和最新的普朗克圖片（右）

2014年3月初，科學家創造了目前為止有關早期宇宙最具細節的地圖。歐洲太空局普朗克衛星拍攝的圖片顯示了宇宙大爆炸後瞬間的情景，並暗示了宇宙的年齡比之前科學家預想的還要老8000萬年。普朗克衛星的描繪圖展示了宇宙最古老的光在宇宙只有38萬歲的時候印在天空時的情景。

這張圖片是基於耗資5.15億英鎊的普朗克太空望遠鏡最初15.5個月蒐集的數據。“普朗克繪製的嬰兒宇宙圖片的超高質量使得我們能夠層層撕開宇宙直達根本處，一窺宇宙最初的模樣，它表明我們繪製宇宙藍圖遠遠不夠完整。” 歐洲航天局局長讓-雅克?多丹(Jean-Jacques Dordain)這樣說道。

普朗克的數據同時也提供了目前宇宙膨脹速率的最新值，暗示著宇宙的年齡其實是138.2億年――比之前預想的要老8000萬年。這項發現支持了一個名為膨脹的關鍵理論，該理論稱宇宙在瞬間從亞原子大小爆發膨脹到如今觀測到的巨大體積。

宣布普朗克衛星描繪地圖的天體物理學家喬治（George Esfthathiou）表示這項發現也提供了有關宇宙組成成分的新特性。“對於一名宇宙學家來說，這張地圖就像一個信息金礦。”喬治說道。他表示宇宙是由略微更多的正常物質以及較少的神秘暗物質和暗能量組成。

“自從2010年發布首張普朗克全天圖像後，我們更加小心的提取和分析我們現在和宇宙發出的第一束光之間的前景輻射，它以超高細節揭示了宇宙微波背景輻射。”英國劍橋大學的喬治這樣說道。

這張圖片是基於普朗克15.5個月收集的數據，它是該任務第一張有關宇宙最古老的光的全天圖片，當時宇宙只有38萬年曆史。在那個時候，年輕的宇宙充滿了由相互發生作用的質子、電子和光子組成的炙熱密集湯，溫度高達2700攝氏度。當質子和電子結合形成氫原子時，光子就獲得自由形成了光。

隨著宇宙的不斷膨脹，光被拉伸成微波波長，溫度相當於絕對零度以上2.7攝氏度。“宇宙微波背景輻射”，也即CMB，展示了在宇宙早期密度略微不同導致的溫度的細微起伏，體現了所有未來結構的種子：也即今日的恆星和星系。

根據宇宙學標準模型，這些起伏在宇宙大爆炸發生後瞬間產生，並且在加速膨脹的簡短時期，也被稱為膨脹期，被拉伸成宇宙學意義上的大規模。普朗克衛星的目標是以前所未有的高解析度和敏感度繪製整個天空的起伏。

通過分析普朗克CMB圖片裡種子的本質和分布，科學家能夠確定宇宙從出生到如今的成分和進化。總體來說，從普朗克的最新地圖裡抽取的信息以無與倫比的精確性提供了對宇宙學標準模型的最佳證明。

由於普朗克地圖的精確性如此之高，它甚至展示了某些特殊的無法解釋的新特徵，可能需要新的物理學來對之進行解釋。其中一個令人驚訝的發現便是天空相反半球的平均溫度所呈現的不對稱性。這與標準模型所做的預測背道而馳，後者稱無論從任何方向觀測宇宙大體上都是相似的。

結果顯示冷點遠比預想的要更大，它的存在挑戰了宇宙對稱性理論。

此外，一個延伸了一部分天空的冷點也比預想的要更大。普朗克衛星的先驅，美國宇航局威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）任務，已經發現了這種不對稱性和冷點，但因對它們宇宙起源的不確定性而很大程度上忽略了它們的存在。

“普朗克監測到了這些異常現象已經消除了對後者存在的懷疑；它們不再被認為是測量導致的失誤。它們真實存在，我們必須尋找可信的解釋。”義大利菲拉拉大學的保羅?納托利（Paolo Natoli）這樣說道。

“想像一下我們正在調查一棟房子的根基，但發現其中某些部分非常脆弱。你可能不知道這些部分是否最終導致這棟房屋的倒塌，但你肯定會立即採取措施加固這些薄弱環節，”法國巴黎天體物理學研究所的弗朗索瓦?布謝(FranoisBouchet)這樣補充說道。

這些異常情況的解釋之一便是：如果從大規模範圍觀測宇宙，每個方向所看到的宇宙並非都是一樣的，歐洲太空局這樣說道。這種情況下，宇宙微波背景輻射發出的光線可能會經過一個遠比之前理解的更加複雜的路線，從而導致觀測到的某些罕見的特徵。

“我們的終極目標是建構一個新模型以預測各種異常情況，並將它們聯繫在一起。這只是初期階段；到目前為止我們並不知道這是否可行，以及需要什麼類型的新物理學――但這仍讓人興奮不已。”喬治教授說道。

宇宙自大爆炸起到今日的進化歷史

除了這些異常情況，普朗克的數據非常符合一個相對簡單的宇宙模型的預測，這使得科學家能夠提取其中最精華的部分。組成星系和恆星的正常物質只占了整個宇宙質量/能量密度的4.9%。暗物質，一種目前只通過它的引力影響而間接探測到的神秘物質，組成了整個宇宙的26.8%，比之前預估計的要更多。

相反，暗能量，一種被認為是導致宇宙加速的神秘力量，所占據的比率比之前預想的要少。“普朗克提供了目前為止最精確最細節的微波太空地圖，它正在描繪宇宙的一副新圖像，不斷推動我們對當前宇宙理論的理解的極限。我們看到了對宇宙學標準理論近乎完美的匹配，但是其中某些令人困惑的特徵也促使我們重新思考某些基本的猜想。這只是新旅程的開始，我們期望對普朗克數據的持續分析將提供對這一謎題的新見解。”

相關測量

宇宙質能組成為：

4.9% 一般的重子物質，可見物質。

26.8% 為種類未知的暗物質，不輻射也不吸收光線。

68.3% 為神秘的暗能量，造成宇宙膨脹的加速。

哈勃常數為67.3km/s/Mpc

宇宙原初密度漲落的非高斯性很弱。

執行任務

從2009年到2013年，歐洲航天局的普朗克衛星一直在測量所謂的宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射起源於130億年前，大約是宇宙大爆炸之後約38萬年。由於宇宙的膨脹，這種瀰漫於整個天空的微波波段的光線依然能被我們觀測到。2009年到2013年，普朗克巡視天空，獲得了前所未有的這種古老光線的細節。現在，普朗克的數據已經被一些研究文章採用並且已經發表了。海德堡大學理論物理研究所的宇宙學研究小組也參與了這些研究。

“精確測量宇宙微波背景輻射可以揭示溫度的微小差異，在宇宙微波背景地圖上，這些溫度波動看起來像小斑點。每個斑點代表溫度高或者低溫的區域，”理論物理研究所青年研究小組負責人瓦萊里婭·皮特力諾博士解釋道。在此前的研究結果當中指出只有宇宙學模型中六個描述宇宙大爆炸發展的參數相對比較準確。宇宙微波背景的溫度差異可以使研究人員能夠確定這些參數非常精確。其中有個稱之為暗能量的，占宇宙總能量的70%，導致宇宙加速膨脹。

研究暗能量尚處於起也步階段。雖然宇宙微波背景中的數據顯示暗能量是存在的，但是它的成分還不清楚。採用最新的衛星數據，普朗克的研究人員在考慮暗能量中結合了各種理論，也為了完善引力理論。因此也會質疑愛因斯坦理論中的引力理論假設。他們採用了不同的方法與其他測量的數據，包括重子聲學振動，這是早期的宇宙密度波，現今的哈勃常數等等。

從普朗克的數據中，科學家可以確定過去到底存在多少暗能量。“奇怪的是，早期的暗能量顯著低於我們預期的含量。到目前為止，當宇宙微波背景輻射被釋放時，假定暗能量占全部能量的含量至多達到1%。但是最新普朗克的數據表明，它可能不超過0.4%，” 皮特力諾博士說。“預期早期宇宙中有相當高的暗能量，而這成了早期宇宙暗能量理論模型的一個大問題，”理論物理研究所的利瑪竇·馬蒂內利博士補充到。

此外，通過分析普朗克的數據發現自身引力作用產生不與宇宙學標準模型完全一致的干擾。儘管這些偏差的微小與變動取決於數據的收集，但是他們還希望進一步的測試與調查其他收集的數據。“進一步的研究可能使我們發現是否要將目前正在處理的愛因斯坦引力理論的偏差問題重新回到藍圖上，” 瓦萊里婭·皮特力諾博士說。對於物理學家來說，數據的分析對研究暗能量和引力宇宙學顯得至關重要。他們可以為將來的衛星任務提供不可估量的推動力，比如2020年由歐洲空間局與美國宇航局聯手合作的歐幾里得任務，海德堡大學天文研究所也將再次參加那樣的任務。