宇宙学的新动向

首先介绍观察宇宙学方面的一些新动向: 3K微波背景辐射的各向异性1965年彭齐阿斯和威尔逊发现了各向同性的宇宙微波背景辐射,这对均匀的、各向同性的标准宇宙模型(弗里德曼模型)是个有力的支持.然而,1978年美国普林斯顿大学的威尔金森(Wilkinson)及加里福尼亚大学贝克莱实验室的斯莫特(Smoot)等人,各自独立地发现在微波背景辐射中存在着偶极的各向异性,辐射温度最高点在狮子座a星方向,最大温度超过平均值3.5×10~(-3)K.对此可以看作是宇宙非各向同性的证据,即宇宙的整体可能既有切向运动又有转动.但由于这个各向异性是偶极分布的,因此也可以解释为:地球相对于微波背景辐射有一个速度为390公里/秒的运动,正是这个运动引起的多普勒效应使人们观察     

WMAP:宇宙学研究的新纪元

2003年2月1日,美国科学家公布了威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe,WMAP)关于宇宙微波背景在各个方向的分布图,精确展示了宇宙大爆炸后38万年(即目前宇宙年龄的三万分之一)时的宇宙物质空间分布,为研究宇宙的起源和演化提供了宝贵的观测资料.     

夜空中永不消失的“电波”

德国天文学家海因里希·伯斯在19世纪初期提出一个观点:如果宇宙是静态和无限的空间,那么我们还能看到黑暗的夜空吗?现在我们已经知道宇宙存在一个开端,并处于加速膨胀的过程中。然而,我们所看到的夜空并不是完全黑暗的,在所有方向上和所有波长范围内都存在一个微弱的"背景光"。目前,科学家通过位于新墨西哥州的卡尔·G扬基甚大阵解决了天空中永远存在的神秘辉光,即射电背景,其不同于宇宙微波背景。科学家认为,这些辉光来自全宇宙的射电星系。     

确定宇宙年龄的一种新方法

天文学家一直迫切希望找到一种确定宇宙年龄的新方法。宇宙年龄——从宇宙由超密态经所谓大爆炸而产生起所经过的时间——与宇宙膨胀减慢的速度有联系。再者,这种联系将有一天告诉我们宇宙是否将永远膨胀下去(宇宙是开放的),或者宇宙最终将停止膨胀,然后经“大坍缩”收缩到原来的超密     

科学之窗

称量宇宙##D天文学家告诉我们今天的宇宙仍在不断地膨胀。但人们不仅要问：它会永远膨胀下去吗？宇宙究竟有多大的质量，这些质量所产生的引力能否使膨胀减慢．甚至宇宙会塌陷成一个密度惊人的人球吗7由于宇宙的质亟不能被直接测量．所以许多的宇宙模型还只是一种假想。也许到了2001年天文学家们可能会找到问题的答案。因为1996年4月美国宇航局批准了一项耗资7000万美元的太空探测计划，这项计划是拍摄宇宙大爆炸后留下的背景辐射。第一次观测到宇宙微波背景辐射，是1992年从一个宇宙背景探测卫星（COBE）收集到的数据中获得的。COBE探…     

暗能量或许并不存在

三项实验正在研究宇宙间最丰富的东西—暗能量。不过,有的理论家认为——20世纪20年代,天文学家认识到宇宙正在远离我们,星系距我们越远,离开的速度就越快。从逻辑上讲,这个现象暗示着所有东西都曾经是在同一个地方的。这项引出了宇宙大爆炸理论的发现,也是现代宇宙学的开端。然而在1998年,新一代的天文学家发现,宇宙不仅在膨胀,而且膨胀速度比以前更快。     

宇宙的构成和哥白尼原理

构成宇宙的物质的绝大部分居然与人们所熟知的通常物质不同,仅仅只有大约4%是通常的原子物质.新近宇宙学观测认为,70%左右的宇宙能量是不结团并具有负压力的,这些占据统治地位的神秘的暗能量,使得宇宙在加速膨胀.暗物质大约占到了宇宙总能量的26%,它的本质并未了解清楚,人们猜测它们由在早期宇宙中形成的粒子所组成.宇宙微波背景辐射的贡献只占了0.01%,然而它能提供宇宙时空结构、宇宙早期历史甚至于最终命运的信息.我们宇宙的构成是哥白尼原理另一种形式的体现.     

诺贝尔奖金幕后 宇宙的幸运

阿诺·彭泽斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)或许会首先同意,他们愿把他们关于宇宙微波背景的发现——他们恰因这个成就而荣获诺贝尔奖金——很大程度上归功于侥幸的意外。虽然早在四十年代就已预见了这种充满宇宙的辐射的存在,但却被人遗忘了;虽然在六十年代至少有三个研究小组独立地朝着类似的预测走去,但彭泽斯和威尔逊对此却一无所知。他们碰巧有机会接触一个异常灵敏的无线电天线/接收机系统,这个系统是为采用《回声》卫星进行通信而建造的;他们对来自我们自己的银河系的背景     

宇宙如何起源?

热大爆炸宇宙学取得巨大的成功,它所预言的哈勃定律、宇宙微波背景辐射和轻元素丰度等都得到了观测的广泛证实.但是热大爆炸宇宙理论自身有着无法解释的疑难问题,比如宇宙空间平坦性问题、视界问题等.为了解决热大爆炸宇宙学的诸多疑难问题,一个最简单经济的方案是在宇宙热大爆炸前发生一段由真空能推动的宇宙近指数膨胀的宇宙演化过程,即宇宙暴胀.事实上,发生在宇宙极早期的暴胀过程不仅可以合理地解释所有这些热大爆炸宇宙学中的疑难问题,而且起源于暴胀期间的量子扰动自然地提供了宇宙晚期结构形成所需的原初密度涨落.反过来,探测宇宙微波背景辐射微小的各向异性和宇宙结构成了探索早期宇宙暴胀物理过程的关键手段.尽管现有的大量宇宙学观测强有力地支持暴胀宇宙学,然而当前在宇宙大尺度上似乎依然存在一些偏离标准暴胀宇宙学预言的迹象,这些迹象可能暗示宇宙在极早期暴胀前还经历了一段收缩过程.     

普朗克卫星绘制精确宇宙图像

正欧洲空间局的普朗克卫星在近期公布了最新的全天空宇宙微波背景辐射结果,绘制出目前最为精确的宇宙早期图像,可以让人们更好地研究宇宙的众多性质,了解宇宙的起源、形成和演化。     

揭开宇宙之谜的七大新论

人类对宇宙的研究已取得了惊人的进展,但在整个宇宙论的研究领域,依然存在着不少悬念和难以解答的问题。近几年来,人类终于确认了宇宙的年龄为137亿年,并公认为宇宙最初起源于刚刚诞生时的大爆炸。为了观测宇宙诞生初期发射的光,即观测某种宇宙微波的背景放射现象,人类已经发射了微波观测卫星(WMAP)。 尽管人类已作出不懈的努力,但仍没有一套能解释整个宇宙产生之谜的完整确凿的理论,有些解释     

声音

正"1000亿年以后,除了我们所在的银河系,所有星系都将消散,人们看到的宇宙将空无一物。"——诺贝尔物理学奖获得者布莱恩?施密特此前,天体物理学家普遍认为,引力会使宇宙的膨胀速度逐渐减缓。而布莱恩?施密特与亚当?里斯带领的两个研究团队,分别发现宇宙膨胀的速度并非如预期一样减缓或是停     

膨胀宇宙的几个未解之谜

正2003年,笔者曾写过一篇"WMAP将要告诉我们什么?——谈人类对宇宙演化的探索"。彼时,恰逢威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)发射两周年,即将得到首批观测数据,而距1998年发现宇宙加速膨胀刚刚过去几年,探索宇宙演化和命运的新热潮正如火如荼。如今,18年过去了,宇宙学研究上取得了哪些进展和突破?还有哪些未决问题等待我们去探索?让我们一起来看看吧。     

宇宙学进入了"精确研究"时代

瑞典皇家科学院10月3日宣布，2006年诺贝尔物理学奖授予美国科学家马瑟（J．Mather）和斯穆特（G．Smoot），以表彰他们发现了宇宙微波背景（CMB）辐射的黑体形式和各向异性。马瑟和斯穆特借助美国1989年发射的宇宙背景探测器（COBE）卫星做出的发现．为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了支持，他们的工作“将我们带回了宇宙形成的婴儿时期”，“使宇宙学进入了精确研究时代”。     

2006年度诺贝尔奖获得者

美国科学家马瑟（J.C.Mather）和斯穆特（G.F.Smoot）因发现黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象而获2006年诺贝尔物理学奖。借助1989年发射的COBE卫星，马瑟（右）和斯穆特领导的1000多人研究团队首次完成对宇宙微波背景辐射的太空观测研究，发现微波背景辐射与黑体辐射非常吻合，从而为大爆炸理论提供进一步支持。     

宇宙暴胀的根源

标准宇宙学模型认为宇宙起源于大爆炸,并且经历了暴胀阶段。然而,为什么早期宇宙会暴胀,存在不同的理论假设。一个理想的模型是宇宙起源于真空,并演化为今天的宇宙。通过求解量子宇宙学方程,并使用德布罗意-玻姆量子轨道理论,可以获得真空暴胀解。随着微波背景辐射观测精度的提高,这一模型的正确性有望获得实验检验。     

奇异矮星系:暗物质迷失?

<正>宇宙的起源是什么?其主要成分是什么?宇宙是如何演化到今天丰富的结构的?这都是现代宇宙学需要回答的问题.最近几十年时间里,现代宇宙学取得了令人瞩目的成就,奠定了标准宇宙学模型的基础.在标准宇宙学模型下,宇宙主要由暗物质和暗能量组成,我们熟悉的重子物质只占宇宙总比例的4.7%^[1].这一标准模型成功地解释了跨越宇宙学时标和尺度的众多观测现象,包括红移1000左右的宇宙微波背景观测、星系的大尺度成团性、弱引力透镜测量的宇宙剪切,以及由赖曼-阿尔法森林示踪的小尺度功率谱等.     

"开天辟地"——宇宙的创生机制

大爆炸宇宙学说的"乌云" 1970年代末,大爆炸宇宙学说的天空中游荡着几朵"乌云". 宇宙微波背景辐射已发现10多年了,微波背景上由于地球运动引起的温度差异也已在几年前探测到了.     

波澜壮阔的宇宙学大革命

公元2003年2月11日,威尔金森宇宙微波背景各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)的第一年结果发布.至此,一场波澜壮阔的宇宙学大革命告一段落.然而经过几代人近百年探索之后展现在人类面前的宇宙,竟是如此陌生,远远超出人类最伟大智慧的想象!     

是什么驱动宇宙暴胀?

尽管热大爆炸宇宙学取得了巨大的成功,它所预言的轻元素丰度以及宇宙微波背景辐射等都得到了大量观测的支持,但是热大爆炸宇宙学依然面临诸如平坦性和视界等无法克服的疑难问题.在热大爆炸之前,宇宙历经暴胀,在极短时间内膨胀了极大的倍数,抹匀了宇宙初期的不均性和拉平了宇宙空间几何,从而简单合理地解决了热大爆炸宇宙学面临的诸多疑难问题.并且,起源于暴胀时期的量子涨落可以自然地提供导致形成宇宙大尺度结构和微波背景辐射各向异性的原初密度涨落.目前被广泛接受的图像是:暴胀由标量场(也被称为暴胀子)的一段较为平缓的势能驱动,期间暴胀子的动能远小于它的势能.然而,暴胀子的物理起源依然不清楚,需要通过未来更多的理论研究和观测来揭示宇宙暴胀的机制.