【寰宇天文】來自早期宇宙的新消息

■歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)的PLANCK實驗在十二月初發表了最新的測量結果,帶給科學家許多關於早期宇宙的訊息。

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用353GHz頻率偵測到的極化方向。圖片來源:physicsworld.com

撰文|陳勁豪

PLANCK是歐洲太空總署的一個造價七億歐元的研究計畫。他們將一個衛星放在太空中,對宇宙背景輻射進行數個不同頻率的高解析度測量。這個計畫在2009年發射後,進行到2013年。這四年中所收集到的觀測數據,在十二月初首次於義大利Ferrara發表。

這次發表的結果中有幾個科學界相當關注的焦點。首先是關於宇宙背景輻射(cosmic microwave background, CMB)。這次所發表的資料中,他們仔細的校正了他們的實驗儀器。因此,他們的測量結果與前一代測量宇宙背景輻射的實驗結果,美國太空總署的Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP相比,絕對溫度的測量差距由過去的1-1.5%縮小到可以由統計誤差解釋的0.3%。測量結果與理論預期相符合,沒有看到異常現象。

PLANCK也測量了CMB的極化方向(polarization)。在100-200GHz的頻段中,CMB的極化方向會跟星際塵埃所產生的極化方向混雜在一起而無法區分。為了解決這個問題,PLANCK決定測量353GHz這個頻率的極化方向。這個頻率被認為主要是由星際塵埃所產生的。透過精準測量353GHz這個頻率的CMB性質,物理學家可以反推回去100-200GHz來估計這個頻段範圍中星際塵埃所產生的影響,進而推出這頻段中CMB的極化方向。

事實上353GHZ這個頻率的新測量也同時帶給科學家一個嶄新的領域。他們可以利用這個新頻率來觀察整個宇宙,進而釐清一些磁場對恆星形成的影響。

過去一些實驗(PAMELA, AMS, FERMI)發現到有宇宙射線中有異常數量的正子,因此出現了一系列相關的理論來解釋這個現象,並被認為是反物質相互湮滅所造成。PLANCK對CMB極化方向的測量也同時排除這些黑暗物質的理論的可能性。

新的PLANCK結果表示沒有發現微中子的數量有任何異常的行為,並為三種微中子的質量總和給出了上限(0.23 ev/c^2)。他們也排除了在許多理論中所提到的存在第四種微中子的可能性。

至於眾所期待的宇宙背景輻射B-mode的測量,尤其是針對今年年初BICEP2的測量結果的回應,PLANCK並沒有發表新的結果。PLANCK目前正與BICEP2合作分析兩方的結果,預計於2015年發表分析結果。

參考資料:
Physics World, 2014/12/04: Planck offers another glimpse of the early universe
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

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