捕捉宇宙最古老的光芒

    在太空中的普朗克

    普朗克探测器绘出其首幅宇宙全景图（由欧洲航天局提供）

    普朗克已经在太空中独自旅行429天了。

    自从去年一个明亮的秋日下午，这个著名的太空探测器在南美洲被送上太空。在距离它150万公里的地球上，数千名科学家都在等待着它带回的信息。

    7月5日，欧洲航天局（ESA）选择在意大利都灵举办的2010年欧洲科学开放论坛（ESOF2010）上发布由普朗克拍摄的首张整个宇宙全景图。

    在这场以“科学的热情”为主题的论坛上，这张迄今为止最清晰的宇宙地图赢得了来自世界各国的科学家和民众最热烈的掌声。第二天，这张图片就占据了欧洲各大报纸的封面。一位来自“普朗克任务”小组的科学家骄傲地说：“这是全球上千名科学家，近20年努力的结果。它有可能解答困扰天体物理学界整整一代人的问题。”

    那缕光究竟有多古老，你简直难以想象

    为了纪念量子物理学奠基人马克斯·普朗克，这个对天体物理学界意义非凡的探测器被授予了同样的名字。

    不过，与科学家普朗克秃顶又蓄浓重八字胡的外貌毫无相似之处，探测器普朗克是个重达两吨、充满金属感的大块头。“普通人可能会认为它长得有点怪，但我觉得它美极了。”项目科学家简·陶伯（Jan Tauber）这样告诉中国青年报记者。

    普朗克收集的也是这个宇宙间最美丽的元素——“宇宙中最古老的光”。

    在欧洲航天局官方网站上点击率已经超过百万的图片上，最引人注意的是一道灿烂的“银河”。它穿越了图片的中心地带，周围涌动着冰冷的尘埃流。不过，那条闪亮的银链并不是整个银河系，也并不能从其中看到任何恒星。

    “普朗克只能记录长波光，因此我们并不能像抬头望向天空时那样看到恒星的光芒（短波光）。”研究者们小心地提醒着观看者。

    这个敏感的探测器捕捉的其实是尘埃云。尘埃云是星际空间中密集在一起的气体尘埃。虽然这些尘埃和气体很厚，它们的数量之大足够形成恒星或行星。那段极其灿烂的银链也正是银河所处的位置。

    研究者对两个光芒黯淡的区域更感兴趣，它们位于地图的最上方和最下方，铁红色背景中洒着一些橙色斑点，这就是著名的宇宙微波背景辐射，即这个宇宙最古老的光。

    “那一缕光究竟有多古老，你简直难以想象。”一位天文学专业人士发出这样的惊叹。普朗克之所以能够拍摄到如此古老的光束，是因为他们之间的距离实在太远了，就好像天文学上一个著名的说法，“当你仰望天空时，你总是只能看到过去”。

    这一切很容易理解。以太阳为例，它与地球有着1．5亿千米的距离，尽管光已经是这个时空中跑得最快的田径高手，但光线由太阳到地球仍需要8分20秒。因此，地球上的人类只能看到8分多钟以前的太阳。

    可这远远比不上那“最古老的光”，它很可能来自接近137亿年前，宇宙大爆炸发生的38万年之后。

    捕捉到最古老的光，就可以研究最古老年代的物质

    让科学家们感到痴迷的，并不是宇宙微波背景辐射的出生年份，而是这些微弱的光芒可能帮助人们解答“宇宙起源”等听起来相当玄妙的问题。

    地图中各种颜色实际上对应着不同的温度起伏，而温度的分布又对应着物质在宇宙中的分布状况。捕捉到最古老的光，就可以研究宇宙中最古老年代的物质。

    来自意大利国家天体物理研究所的科学家甚至相信，“通过分析这张地图，人们将有可能寻找解释宇宙起源和发展最适合的理论，可能找到爱因斯坦预言的引力波，可能发现宇宙有11个维度，还有可能发现平行宇宙！”

    在更多的科学家看来，这张地图以及其尚未公布的观测数据将极有可能解决一个“困扰天体物理学界整整一代人的问题”：从大爆炸到今天，宇宙间究竟发生了什么。

    大爆炸理论相信，137亿年前，宇宙中所有物质都高度密集在一点，温度极高，终于发生了大爆炸。大爆炸之后，物质开始向外膨胀、冷却，并最终形成今天的宇宙。

    但是，如果以今天的膨胀速率来看，那个最初直径只有10-35米大小的宇宙,其内部空间不但不可能容纳如此多的星球，甚至“将比这句话末尾的句号还要小得多得多”。

    “暴涨理论”解决了物理学家们的烦恼。这个近30年来主导宇宙学的理论，可以提供一些反差极大的数字。比如，在10-36秒,一个接近于无穷小的宇宙，其直径就膨胀到10 1,000,000,000,000米。

    这是一个解决宇宙起源难题的好说法，却并非所有人都买账。至少就眼下而言，还没有什么人能找出究竟是哪股力量驱动了“暴涨”，又是哪股力量为“暴涨”叫停。

    科学家们都在等待普朗克带给他们的信息，“要么支持暴涨理论，要么否定它”。“暴涨理论是我们标准模型的一部分，但这个理论中也有许多变体，我相信普朗克可以将原有的暴涨模型范围缩小。”陶伯对“暴涨理论”很有信心。

    “只有精细地测量宇宙微波背景辐射才能做到这一切。”对测量精确性的要求已经远远超出普通人的想象，探测器必须能够区分出天空中不同两点大爆炸光子百万分之一甚至十亿分之一的温度差别。

    为此，在普朗克的“心脏”，一张用于收集宇宙微波辐射的“蜘蛛网般的探测器”，也由太空中最先进的制冷系统冷却到0．1开氐度。由此，它才能收集到那些“宇宙创生的余辉”。

    这是技术和金钱间的较量。美国芝加哥大学宇宙学家麦克尔·特纳对此毫不讳言：“这是一场激烈的竞赛，人人都想得到瑞典的那块金牌。”

    我是多么想知道宇宙最初的模样

    陶伯并没有多大摘取“瑞典金牌”的信心，“宇宙微波背景领域的实验已经两次拿到诺贝尔奖了，我们想要拿到第3块，可能性并不大。”

    在这个领域中从来不缺少充满竞争力的实验，无数的科学家与他们的探测器一起，用尽一生力量寻找“宇宙的第一束光”。宇宙背景探测器（COBE）出生于美国宇航局，并于1989年发射，这颗了不起的探测器为COBE首席科学家乔治·斯穆特带来了诺贝尔物理学奖。2001年发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）在精确度上更胜一筹，它的灵敏度和角分辨率分别是COBE的45倍和33倍。

    但是，9年前就开始工作的WMAP并没能解决有关宇宙起源最本质的问题，据说，“理论物理学家之间的争论永无休止，WMAP的数据几乎已经被榨干了”。

    现在，科学界将希望赋予普朗克，它只需要半年时间就可以扫描到95％的天空。

    “如果没有对比，你很难顺利地找到大爆炸后残留在宇宙中的微波辐射。”斯穆特也看好远在太空的普朗克，因为对比恰恰是这个敏感的探测器的长项，它将扫描天空中电磁光谱的9个波段，其中包括了伽玛射线、可见光、无线电波等一切可能的辐射。

    只是，陶伯承认，敏感的普朗克如今为地球拍摄的照片，仍然没有被校准到需要的精确度。尽管这张令人震撼的地图收集到了比WMAP多达15倍的信息，但眼下，它并不能为充满火药味的学术争辩提供停战根据。

    银河系是这张地图中最灿烂的部分，但真正的科学研究必须从“剔除银河系”开始。只有将闪亮的银河系从地图中“清除干净”，那些由铁红色和橙色斑点组成的暗淡背景才是在整个宇宙中充斥着的“光的最原始的化石”。

    “将我们最感兴趣的光留下，让其他光消失，这才是整个任务中最艰难的一部分。”陶伯说。这个巨大的工程已经耗资6亿欧元（接近53亿元人民币），“但现在还没有到庆祝的时刻，想要获得最终的图片，我们还只是刚刚起航。”

    而在遥远的中国，研究者们更关心，欧洲航天局会选在何时公布由普朗克捕捉到的宇宙间的数据信息。欧航局目前已经画好了时间表，“我们将在2011年的1月为天文学家公布一部分数据，而宇宙学家所需要的更完整的数据，则要等到2012年年末。”

    “这张照片只是对普朗克最终成果的一瞥。我们并不是给出一个答案，而是打开了一扇通往黄金理想国的大门。”显然，全世界的天文学家都在期待最终结果出现的一刻，陶伯也是一样，“你知道，我是多么想要知道宇宙最初的模样。”

    就在这位已经陪伴这个项目整整17年的科学家接受采访的时候，“大块头”普朗克从未停止工作。它仍在遥远的太空独自旅行，捕捉着宇宙中最古老、最微弱的光芒。