讓暗物質更“暗”一些

普朗克空間望遠鏡觀測到的宇宙微波背景極化圖像

圖片來源：歐空局普朗克合作組

對歐洲空間局（ESA）普朗克航天器所收集數(shù)據(jù)的首次全面分析，解決了早期宇宙學研究提出的一些難題，卻使得暗物質之謎更加撲朔迷離。普朗克團隊并未解決圍繞今年3月宣布的宇宙大爆炸引力波而產生的爭議。不過，他們計劃在接下來的一項研究中重點關注該問題。

普朗克空間望遠鏡產生了迄今最為詳盡的宇宙微波背景（CMB）全景圖。CMB是138億年前宇宙爆發(fā)性誕生時殘留下來的輻射。這些圖像基于普朗克自2009年發(fā)射到2013年退役4年間的全部觀測結果，同時包括了CMB的溫度和極化信息。

去年發(fā)布的初始圖只是利用了最初15個月的數(shù)據(jù)，并且僅包含有關于溫度的數(shù)據(jù)。今年早些時候，研究團隊發(fā)布了由星系塵埃所致、在揭示原始背景輻射時必須去掉的極化信息?！皫缀踉谡麄€天空，星系會產生很多微波信號中的‘噪音’?！眮碜云绽士藞F隊的天體物理學家Nazzareno Mandolesi在一次會議上展示了最新的普朗克觀測結果。此前，這種噪音被認為只在接近可見銀河系的部分天空中存在。

這些觀測利用CMB研究早期宇宙極小的溫度波動，而宇宙中的所有結構均產生于此。研究結果再次確認了宇宙演化的標準模型。不過，科學家對早期已探測到暗物質證據(jù)的說法提出了質疑。暗物質是一些看不見的粒子，其重力維持著星系不會彼此飛離。

暗物質之謎同意料之外的宇宙射線中過量正電子有關。正電子是電子的反物質“搭檔”，也是一類繞著星系旋轉的高能粒子。曾有理論預言，在高能量下正電子與電子的比率應該低于較低能量下的比值。然而，去年來自國際空間站粒子探測器——阿爾法磁譜儀的觀測結果顯示，正電子與電子的比率實際上隨著能量的增加而提高。這印證了美國宇航局（NASA）費米伽馬射線空間望遠鏡和歐洲PAMELA衛(wèi)星此前的觀測結果。

研究人員曾提出過量正電子是由碰撞產生的，而在此過程中暗物質粒子彼此消減，產生包括正電子在內的“碎片雨”。不過，這種解釋只能同那些證明粒子以很高速度碰撞并且消減的暗物質模型一致。

這些碰撞也有可能發(fā)生在宇宙早期，尤其是在宇宙大爆炸發(fā)生后的約38萬年CMB被首次釋放到太空時。如果當時暗物質粒子碰撞的可能性和現(xiàn)在一樣高，普朗克會在CMB上探測到它們的印跡。然而，普朗克團隊成員、來自巴黎天體物理研究所的Francois Bouchet表示，事實并非如此。正電子信號或許仍要歸結于暗物質，但前提是宇宙早期暗物質碰撞的可能性比現(xiàn)在低很多。這在一些暗物質模型中是可能的，但在另一些模型中則行不通。

盡管科學家似乎排除了一類暗物質模型，但最新普朗克數(shù)據(jù)證實宇宙質能總量中有26%是暗物質構成的。Bouchet解釋說，普朗克提供的圖像還驗證了一個理論，即宇宙在“嬰兒期”經歷了一段短暫卻急劇的增長，又被稱為宇宙暴漲。最初的普朗克數(shù)據(jù)已為暴漲提供了證據(jù)，正如包括NASA威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）在內的此前實驗所顯示的一樣。不過，Bouchet表示，最新的普朗克數(shù)據(jù)分析得更加深入，并且支持宇宙暴漲理論的最簡單模型。在這些模型中，溫度波動的幅度在不同距離尺度上平均而言完全相同。

普朗克合作組成員、加拿大理論天文物理研究所理論學家Dick Bond介紹說，標準宇宙模型正處于一個非常好的發(fā)展態(tài)勢。來自普林斯頓高等研究院的宇宙學家Matias Zaldarriaga對此表示贊同。“總體而言，標準模型看上去可以繼續(xù)適用。誤差線已經減小，而且還未有異常情況出現(xiàn)。”Zaldarriaga說。

與此同時，Bouche表示，新的普朗克圖像排除了普朗克和WMAP數(shù)據(jù)關于密度、物質分布等宇宙參數(shù)上的不一致?！艾F(xiàn)在，普朗克的數(shù)據(jù)更加接近WMAP。”

另一個由此前宇宙數(shù)據(jù)產生的不一致，涉及第一代恒星形成并產生足夠紫外線將星際介質中的氫原子電離時的宇宙年齡。WMAP的結果表明，宇宙在大約4億歲時，這些恒星形成。不過，對類星體發(fā)出的光進行觀測發(fā)現(xiàn)，這些恒星在宇宙誕生后的7億到8億年間形成。Mandolesi表示，目前來自普朗克的最新CMB數(shù)據(jù)集中在類星體的質量上。

全面的普朗克數(shù)據(jù)分析還證實，被稱為中微子的亞原子粒子的確以3種類型存在，而測量的誤差范圍比2013年小了30%左右。結合來自其他望遠鏡的觀測結果，數(shù)據(jù)顯示3種已知中微子類型的總質量小于0.21電子伏特（1個電子的質量約為51.1萬電子伏特）。Mandolesi認為，這使得第4種中微子類型，即所謂的“惰性中微子”不可能存在。

12月22日，ESA將把全部普朗克數(shù)據(jù)放到網(wǎng)絡上。明年某個時候，普朗克團隊希望能發(fā)布和位于南極的BICEP2望遠鏡團隊共同分析的結果。宇宙學家則期望，這將證實BICEP2在今年3月宣布的爭議性信號是否為來自星系塵埃的原初引力波的證據(jù)，或者只是來自星系塵埃的噪音。（宗華）

《中國科學報》 (2014-12-18 第3版 國際)