十博体育 > 军事速递 > 它最终将会降低到能让电子与原子核结合形成中性原子的温度,威尔金森微波各向异性探测器是NASA的人造卫星

它最终将会降低到能让电子与原子核结合形成中性原子的温度,威尔金森微波各向异性探测器是NASA的人造卫星

2020/01/18 08:07

>威尔金森各向异性探测器美国

大爆炸

北京时间7月9日消息,据国外媒体报道,环顾太空,你会发现很多东西——行星、恒星、卫星,甚至星系本身——都有一个共同点:它们在旋转。那么,宇宙也在旋转吗?

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。

十博体育 ,宇航员们通过结合数学模型和观测结果而得出的有关宇宙诞生的可行理论。大爆炸理论的数学基础包括阿尔伯特-爱因斯坦的广义相对论以及基本粒子的标准理论。直到今天,包括哈勃空间望远镜和史匹哲太空望远镜在内的NASA空间望远镜依旧在测量宇宙的扩张。长期以来的一个目标是对宇宙是否会永远扩张,或者它是否会在某一天停止扩张并转而收缩,直到在“大挤压”中崩溃这个疑问得出确切的结论。

宇宙学家一直在积极研究这个谜团,因为这个问题的答案能告诉我们宇宙的基本性质。“和大多数宇宙学问题一样,这也是一个非常抽象的问题,但宇宙学研究者认为,这是研究基础物理学的一种方法,有些东西无法在地球的实验室里进行验证,所以人们利用宇宙和宇宙的几何结构,从中获得一些关于基础物理学的新发现。

结构特点研制历程使用情况结构特点

十博体育 1

▲目前的研究都表明,宇宙在很大程度上是均匀的,而且没有在旋转。

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。

背景辐射

在思考宇宙的基本性质时,科学家首先假设宇宙并没有在旋转,而是各向同性的,即宇宙在各个方向上看起来都是一样的,这个假设与爱因斯坦的方程一致,但又不是这些方程所要求的,基于这种想法,科学家建立了一个描述宇宙的标准宇宙学模型。

研制历程

根据物理学理论,如果在大爆炸后的一秒钟内看向宇宙,我们会看到一个温度高达100亿度的,含有中子,质子,电子,反电子,光子和中微子的海洋。随着时间的推移,我们会看到宇宙冷却,中子会衰变成质子和电子,或者与质子结合形成氘。随着宇宙继续冷却,它最终将会降低到能让电子与原子核结合形成中性原子的温度。在发生这种“重组”之前,宇宙因为光撞击自由电子导致的的散射而变得不透明,就像太阳光被云中的水滴散射那样。但是当自由电子被原子核吸引形成中性原子时,宇宙突然变得透明。被称为宇宙背景辐射的大爆炸余辉——那些相同的光子,已经可以被今天的我们观测到了。

这种假设已经整合到计算方法中,分析数据和做其他很多事情的方式也与此有关,但这种假设必须得到验证,科学研究不能只抱着最好的希望。

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。

十博体育 2

为了了解这些关于宇宙及其基本物理学的假设是否正确,科学家收集了观测数据,对模型进行验证。他们特别使用了来自宇宙微波背景(cosmic microwave background,简称CMB)的辐射数据。这些辐射是我们所能观测到的宇宙中最古老的光——在大爆炸后38万年时发出——堪称宇宙学家研究宇宙的信息宝库。

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。

任务研究:宇宙背景辐射

宇宙微波背景辐射在各个方向上看起来几乎是一样的,但显示出微小的温度变化,这种变化来自于宇宙历史、内容和几何形状的影响。通过研究这些差异,科学家可以看到宇宙是否以某种方式被扭曲——意味着一个方向上的旋转或膨胀比另一个方向增加得更多,测量光的偏振同样可以提供关于宇宙几何结构的信息。

使用情况

美国宇航局提出了两项研究宇宙背景辐射的任务——为诞生仅40万年的宇宙拍摄“婴儿照”。第一项任务的执行者是宇宙背景探测器。在1992年,COBE团队就宣布他们绘制了宇宙背景辐射中的原始热点和原始冷点。这些点与早期宇宙中的引力场有关,并且形成了如今在宇宙中延伸数亿光年的巨型星系团的种子。这项工作让NASA的John C. Mather博士和加州大学的George F. Smoot获得了2006年诺贝尔物理学奖。

科学家发现,宇宙微波背景辐射没有显示出宇宙在旋转的证据。此外,根据一项研究显示,宇宙各向同性的可能性是120000∶1,这意味着无论你朝哪个方向看,宇宙看起来都是一样的,另一项研究发现,宇宙有95%的几率是均匀的,表明在大尺度上,宇宙的任何地方都是相同的。

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。

十博体育 3

所有这些研究都表明,宇宙在很大程度上是均匀的,而且没有在旋转。这个结论很可能不会改变,未来几十年里,天文学家对宇宙微波背景辐射的偏振测量可能会有所改善,但新的数据不太可能挑战之前的发现。

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。

第二项任务的执行者是威尔金森微波各向异性探测器,它负责检测宇宙背景辐射。与COBE相比,WMAP的分辨率大大提高,它探测了整片天空,测量了几乎均匀分布在宇宙各处微波辐射的温差。下张图片是一副红色为较热区、蓝色为较冷区的天空地图。将这些证据与宇宙的理论模型相结合,科学家们得出结论:宇宙是“平坦的”,这意味着在宇宙学尺度上,空间几何满足欧几里得几何规则(例如:平行线永不相遇,圆周长与直径之比为π等)。

宇宙没有在旋转的结果对于基于这一假设建立模型的宇宙学家来说无疑是一种解脱,而这也提供了一个关于我们在宇宙中位置的有趣视角。之所以提出这个问题,其实是源于认为人类是宇宙中心的想法,事实上,我们是如此的渺小和微不足道,这真的很有趣。

十博体育 4

宇宙微波背景

另外的第三个任务是由欧洲航天局牵头,美国宇航局大量参与的普朗克望远镜计划,于2009年启动。普朗克望远镜正在制作最准确的微波背景辐射图。此仪器对于百分之几度的温度变化很敏感,并将整个天空映射到9个波段,它可以测量CMB(即宇宙微波背景辐射)温度的波动,这种温度波动的精度由基本的天体物理极限设定。

宇宙微波背景是宇宙学中“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,其特征与绝对温标2.725K的黑体辐射相同。宇宙微波背景的发现被认为是检验大爆炸宇宙模型的里程碑,其观测数据有时被称为“大爆炸理论的四大支柱”之一(另外三种观测数据分别是从星系红移观测到的哈勃膨胀、宇宙间轻元素的丰度,以及大尺度结构和星系的演化)。

十博体育 5

20世纪40年代,物理学家拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼研究了宇宙大爆炸理论,提出若大爆炸存在,则宇宙膨胀应该会拉长,并将极早期宇宙的高能辐射冷却到微波范围,并降温至大约5K。换句话说,他们预言了宇宙微波背景的存在,然而,当时这一预言并没有引起人们的关注。1964年,美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景,他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

宇宙的“婴儿照”。 WMAP的微波背景辐射温度图显示了在3K背景中辐射温度的微小变化。 热点显示为红色,冷点为深蓝色。宇宙暴胀

最有名的宇宙微波背景辐射观测实验可能是美国国家航天航空局卫星,运行时间为1989—1996年。该实验在有限的探测能力下探测并定量了大尺度的各向异性。根据COBE的测量结果,宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱,证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度。

原始的COBE结果和持有更高分辨率的WMAP数据分析发现了一个问题:宇宙太均匀了。之前从未相互接触过的宇宙碎片如何能在相同的温度下达到平衡?但如果在大爆炸之后的一段非常短的时间内宇宙经历了一场名为“暴涨”的难以置信的扩张,那么这个问题和其他宇宙学问题就都可以得到解决。为了实现这种膨胀,大爆炸时的宇宙必然充满了一种不稳定的能量形式,但其性质尚不清楚。但无论其性质究竟如何,暴涨模型预测:宇宙在极小的时候产生了一种量子噪声,这种原始能量在空间中会不均匀分布。这种模式将转移到宇宙的问题上,并将在重新“组合”时开始自由流动的光子中得到展示。因此,我们期望并且确实在宇宙的COBE和WMAP图片中看到了这种模式。

数据分析结果还表明,扣除掉这个速度对测量结果的影响,以及银河系内物质辐射的干扰,宇宙背景辐射具有高度各向同性,温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前的主流理论认为,这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落,它随着宇宙的暴胀而放大到宇宙学的尺度上,并且正是由于温度的涨落,造成宇宙物质分布的不均匀性,最终得以形成诸如星系团等大尺度结构。

十博体育 6

2001年6月,NASA推出了第二个宇宙微波背景太空任务,即威尔金森微波各向异性探测器,以更精确地测量整个天空的大尺度各向异性,该任务在2003年披露了首次结果,显示与宇宙暴胀及其他理论的预期大致相符。

宇宙的历史。根据推测,大爆炸刚发生后的超光速暴胀过程产生了引力波。

WMAP对宇宙微波背景在不同方向上涨落的测量表明,宇宙的年龄是137±1亿年,在宇宙的组成成分中,4%是一般物质,23%是暗物质,73%是暗能量;宇宙目前的膨胀速度是每秒71公里每百万秒差距;宇宙空间是近乎于平坦的,它经历过暴胀的过程,并且会一直膨胀下去。

但所有这些假设都没有解决膨胀的问题。回答这个问题的其中一个困难之处是:在“重组”之前,宇宙就已经膨胀了很长时间。所以宇宙在“重组”之前的不透明实际上是由更早期的某些有趣事件造成的。幸运的是,有一种根本不涉及光子的宇宙观测法。唯一一种可以从大爆炸瞬间传递给我们的已知形式的信息——引力波,携带着我们无法通过其他方式获得的信息。NASA和ESA正在考虑几项任务,以寻找暴涨时代的引力波。暗能量

欧洲空间局的普朗克卫星是第三个观测宇宙微波背景的太空任务,于2009年5月升空,目前正在进行更详细的观测。

在哈勃望远镜和COBE投入使用之后的几年里,大爆炸的画面逐渐变得清晰起来。但在1996年,对非常遥远的超新星的观测仍要靠图片中引人注意的变化。人们一直认为,宇宙的物质会减缓其自身的扩张速度。质量产生引力,引力产生拉力,拉力必定减缓膨胀。但是对超新星的观测表明,宇宙的扩张正在加速,而不是放慢速度。有些不像物质,又不像普通能量的东西,正在推动星系分开。这个“东西”被称为暗能量,但只凭取一个名字是无法理解它的。至于暗能量是否是一种迄今为止物理学未知的流体动力,或者它是否是真空空间的属性,或者它是否是对广义相对论的某种修改,至今仍不得而知。

十博体育 7

相关知识

在物理宇宙学中,暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中,暗能量占据宇宙68.3%的质能。 暗能量现有两种模型:宇宙学常数和标量场。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。

宇宙微波背景是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。在早期的文献中,“宇宙微波背景”称为“宇宙微波背景辐射”或“遗留辐射”,是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。宇宙微波背景是宇宙背景辐射之一,为观测宇宙学的基础,因其为宇宙中最古老的光,可追溯至再复合时期。

如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

上一篇:以炮身长17米的海军炮为原型,巴黎大炮 下一篇:没有了