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宇宙背景探测器,乔治·斯穆特致力于研究早期宇宙

2020/01/18 08:02

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乔治·斯穆特为西电学生带来“名家导航”第五讲

宇宙背景探测器,乔治·斯穆特致力于研究早期宇宙。宇宙背景探测器是以提供高精度的早期宇宙漫射辐射测量而开发的。它装备了三套设备-一套用来寻找宇宙红外线背景辐射,一套用来绘制各种不同的宇宙微波辐射,还有一套用来将背景辐射的光谱与精确的黑体(能吸收全部入射辐射的理论上的理想物体)进行比较。

威尔金森微波各向异性探测器是NASA的人造卫星,目的是探测宇宙中大爆炸后残留的辐射热,2001年6月30日,WMAP搭载德尔塔II型火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空。其目标是找出宇宙微波背景辐射的温度之间的微小差异,以帮助测试有关宇宙产生的各种理论。它是COBE的继承者,是中级探索者卫星系列之一。WMAP以宇宙背景辐射的先躯研究者大卫·威尔金森命名。

暖阳高照,秋风温煦,11月8日下午,2006年诺贝尔物理学奖获得者乔治·斯穆特(George Fitzgerald Smoot III)来到了西安电子科技大学南校区,在远望谷体育馆为5000余名西电学子带来了一场关于宇宙探索的饕餮盛宴。副校长石光明主持了此次报告会。

使用情况

结构特点研制历程使用情况结构特点

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1989年底发射的COBE卫星,被专门设计用来分析由伽莫夫和他的同事所首先推测的微波背景辐射结构中的微观细节,COBE的发射还有一项新任务:澄清背景辐射引起的早期困惑。

卫星的主体是一对1.4米×1.6米(4.6英尺×5.2英尺)背靠背的望远镜,能够从天空相距约140°的两点收集微波辐射并直接传入光学器件下面的10个接收器。

乔治·斯穆特出生于1945年,美国加州大学伯克利分校物理学教授,主要从事天体物理学、宇宙学研究。他于1970年在麻省理工获物理学博士学位,随后在加州大学成为一名科研工作者,开始研究大爆炸的有关问题。乔治·斯穆特致力于研究早期宇宙,参与了一项被称之为下一代实验的“普朗克探测器”计划,他和约翰·马瑟因“发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”而分享了2006年诺贝尔物理学奖。这个使用 COBE(Cosmic Background Explorer 宇宙背景探测)卫星的工作有助于巩固宇宙大爆炸理论。诺贝尔奖委员会的记载称:“此 COBE 计划,堪称是宇宙学步入精确科学的一个起点。”

宇宙背景探测器探索天空,用无线电发回宇宙背景辐射的前所未有的最精确画面,结果再次证实了大爆炸理论以及更多的东西。

研制历程

名家导航讲座集锦

探测器上的液态氦于1990年9月21日耗尽,由探测器上装备的差比微波辐射仪继续进行实验,直到1993年12月23日之后这颗探测器被沃洛普斯飞行研究所当作工程训练和测试卫星使用。

根据大爆炸宇宙模型,在宇宙年龄约30万年的时候,宇宙中的物质由电离状态转化成中性原子的状态,宇宙中的光子组分与实物退耦而变成微波背景辐射。对于给定的宇宙模型,物理学家们可以精确的计算出CMB各向异性的功率谱,它是与宇宙模型的基本参数有关的,因而通过精确的测量宽角度范围的CMB功率谱,可以确定出各种宇宙模型的基本参数,判断哪些宇宙的模型更好的描述着我们的宇宙,而通过这些基本参数,我们可以知道许多宇宙学中的基本问题,比如空间的几何、宇宙中的物质组分、大尺度结构的形成和宇宙的电离历史等。CMB首先是由Penzias和Wilson(1965)发现的。

此次名家导航,乔治·斯穆特展示了自己关于“现代宇宙学”的学术研究成果。在早期宇宙的探索过程中,斯穆特主要负责测量微波背景辐射微小的温度波动,他向同学们呈现了数以千计的观测图,他和团队成员利用 COBE 卫星的观测结果,发现了期待已久的宇宙微波背景中微弱的异向性现象,这是在 1 亿光年大小的天区内热和冷的变化。他告诉大家:“这些区域内的温度变化相对于平均温度为 2.74K 的微波背景来说,变化幅度仅有百万分之六。这微弱的温度起伏是由引力起伏造成的,也就是由物质密度的不均匀造成的。”

1992年,NASA的COBE卫星观测表明CMB是我们可以在自然界测到的最完美的黑体辐射谱,并且第一次给出了CMB各项异性的证据。但由于当时技术的限制,COBE的角分辨率只为7度,WMAP的角分辨率为13分,因而WMAP将能精确的回答上述许多基本问题。

乔治·斯穆特谈到了罗蒙诺索夫卫星的发射,仿佛带领着同学们穿越时空,领略了宇宙的过去、现在与未来。随后,乔治·斯穆特以薄如蝉翼般绚烂的星云为例,为同学们介绍了宇宙时空地图的绘制过程,并由浅入深地讲述宇宙的起源以及宇宙微波的背景辐射测量机理,赢得了在场师生热烈的掌声。斯穆特教授展示了目前工作的重点即研究UFFO探险者号探测器观测到的伽马射线大爆发的现象,并具体讲解了探测器的结构和功能,并用动画模拟展示了中子星爆发的整个过程,这为进一步分析宇宙爆发提供依据。

使用情况

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维尔金森各向异性探测器(WMAP)是第一个从L2轨道运行的飞行器。它被放在一个高度椭圆的驻留轨道,然后使用自己的助推器并借助月球重力进行机动飞行。月球借力飞行发生在2001年7月30日,10月1日WMAP到达L2拉格朗日点上的大李萨如轨道,距离地球150万公里(932000英里)。每6个月WMAP进行一次全天扫描。

随后,斯穆特与在场的西电学子畅谈学习、科研、人生和理想。斯穆特告诉同学们,科研事业任重道远,同学们在平时的学习与科研工作中要善于观察,要学会自主发现问题、分析问题和解决问题。他教导同学们要脚踏实地,从点滴做起,学好专业知识,认真对待每一门专业课程。

最初的观测周期是24个月,但是任务期被延长到6年。WMAP已经完成了4次全天扫描,目前主要聚焦在宇宙微波背景里面很微弱的极化信号。

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来自物理与光电学院的李睿同学用一口流利的英文向斯穆特提问:“教授先生下午好,很荣幸可以来参加您的讲座。你提到了微波背景辐射,这种成像技术和普朗克先生有什么关系吗?和SAR成像有什么联系吗?”一连串的问题让斯穆特开怀大笑,他都仔细地一一解答:“宇宙微波背景辐射是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射,是一种充满整个宇宙的电磁辐射。宇宙微波背景很好地解释了宇宙早期发展所遗留下来的辐射,它的发现被认为是一个检测大爆炸宇宙模型的里程碑。宇宙在年轻时期,恒星和行星尚未形成之前,充满着白热化的氢气云雾等离子体。等离子体与辐射充满着整个宇宙,随着宇宙的膨胀而逐渐冷却。当宇宙冷却到某个温度时,质子和电子结合形成中性原子。这些原子不再吸收热辐射,因此宇宙逐渐明朗,不再是不透明的云雾。”

美好的时光总是显得犹为短暂,一个半小时过去了,同学们仍然听地意犹未尽,沉浸在与诺贝尔奖获得者面对面交谈的兴奋与喜悦中。

“乔治·斯穆教授的讲座高屋建瓴又非常地“接地气”,讲到我们熟悉且具有地理特点的西藏,由宏入微,引申到行星、星系、星云,直至成为亿万“星尘”中微小的一粒,将宇宙的概念第一次如此近距离,如此震撼的展现到我们面前。”来自电院大三的李雨同学谈到:“作为启航课程,这很好的激发了我们对探索宇宙,对深入研究和探寻知识魅力的兴趣。最后教授在回答同学们的提问时,知无不言,侃侃而谈,将自己的经验和所得传授给我们,并对我们西电学子寄予厚望。教授给我们带来的全英文讲座让我们听到了流畅纯正的英语口语,也为我们讲述了硬核技术的相关知识,这是对我们英语能力的提升,也是对视野的开拓。”

来自数学与统计学院的冯昱谈到:“在近90分钟的讲座中,乔治·斯穆教授简要介绍了宇宙大爆炸理论以及他通过COBE、WMAP、PLANCK等设备进行的相关的研究。让我联想到以公理化体系作为基础的数学,不同的体系里,对于一个问题可能会有相互矛盾的结论。从另一个角度想,即使这样的绝对真理并不存在,即使像乔治教授这样卓越的学者的研究结论可能未来还会被推翻,但人类对于物理学、对于宇宙真实面貌的探索永远不会是没有意义的。正因为对未知世界的好奇,对那片星空的向往,对生命的不安分,人类才能走到今天这一步,创造奇迹般的文明。今天在场的可能很多都不是天文学,甚至不是物理学相关专业的学生,但那种宝贵的探索宇宙探索科学的精神,值得我们所有人去学习。”

电子工程学院大三学生刘靓听完报告后谈到:“教授向我们分享了关于宇宙空间的秘密,让对宇宙没有很直观了解的我倍感震惊。除了教授所讲的关于星群的专业知识以外,令我感触最深的一个词是“渺小”。虽然我一直知道地球只是太阳系银河系的一个小的部分,可是当真正感受到百万星系的时候,渺小感瞬间涌上心头。同时,伴随而来的是“自豪”,这么渺小的地球人类可以创造出千年的文明,探索广袤无垠的宇宙空间,这是多么的了不起啊。”

来自海棠九号书院的大一学生张东江谈到:“浩浩宇宙自古是人类探索的对象,正是带着对时空宇宙的好奇以及对诺贝尔奖的崇拜,我走进了乔治·斯穆特教授的报告会,还在报告会上看到了高中老师提到的那张包括整个宇宙的“蝴蝶结形状”照片,心里非常激动。由于报告是全英文的,虽然听懂的不多,但毫无疑问,我在光彩的图片视频中过了一个愉快的下午,感受到了来自大师的思维碰撞。科学绝非易事,教授谈到“基石”是成为科学家的条件,这让我体会到,除了保持好奇心,我们大学生还需要扎实的数理基础,不能急于求成,要潜下心来求真务实,打好扎实基础,这有这样才能为科学事业添砖加瓦。”

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此次“名家导航”给西电学子提供了一次能够与诺贝尔奖获得者这样世界级大师近距离交流的难得机会。一个半小时美妙时光,留给西电学子的,除了兴奋、激动、过瘾之外,更多的是科学家探索宇宙奥秘过程中孜孜不倦、百折不挠的科学精神,以及为人类发展做贡献过程中的不断冒险进取的大无畏精神。这些精神将促进学生把握科研规律、执着追求真理,从而激发学生对人生价值、奋斗方向的深入思考。

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