威爾金森微波各向異性探測器

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更新時間: 2013-12-12

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2003年7月23日,美國匹茲堡大學斯克蘭頓(Scranton)博士領導的一個多國科學家小組宣布,他們藉助美國「威爾金森微波各向異性探測器」(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡稱WMAP的觀測數據(觀測宇宙微波背景輻射的微小變化),發現了暗能量存在的直接證據。

威爾金森微波各向異性探測器 -機器簡介
威爾金森微波各向異性探測器威爾金森微波各向異性探測器

威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡稱WMAP)是NASA的人造衛星,目的是探測宇宙中大爆炸後殘留的輻射熱,2001年6月30日,WMAP搭載德爾塔II型火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射升空。

WMAP的目標是找出宇宙微波背景輻射的溫度之間的微小差異,以幫助測試有關宇宙產生的各種理論。它是COBE的繼承者,是中級探索者衛星系列之一。

WMAP以宇宙背景輻射的先軀研究者大衛·威爾金森命名。
WMAP在圍繞日-地系統的L2點運行,離地球1.5×106公里。

威爾金森微波各向異性探測器 -科學目的
威爾金森微波各向異性探測器圖為威爾金森各向異性微波探測器觀測到的宇宙第一束光線--宇宙大爆炸的餘輝

根據大爆炸宇宙模型(The Big Bang), 在宇宙年齡約30萬年的時候,宇宙中的物質由電離狀態轉化成中性原子的狀態,宇宙中的光子組分與實物退耦而變成微波背景輻射(CMB)。對於給定的宇宙模型,物理學家們可以精確的計算出CMB各向異性的功率譜,它是與宇宙模型的基本參數有關的,因而通過精確的測量寬角度範圍的CMB功率譜,可以確定出各種宇宙模型的基本參數,判斷哪些宇宙的模型更好的描述著我們的宇宙,而通過這些基本參數,我們可以知道許多宇宙學中的基本問題,比如空間的幾何、宇宙中的物質組分、大尺度結構的形成和宇宙的電離歷史等。CMB首先是由Penzias和Wilson(1965)發現的。1992年,NASA的cobe衛星觀測表明CMB是我們可以在自然界測到的最完美的黑體輻射譜,並且第一次給出了CMB各項異性的證據。但由於當時技術的限制,COBE的角解析度只為7度,WMAP的角解析度為13分,因而WMAP將能精確的回答上述許多基本問題。

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威爾金森微波各向異性探測器光子-內部結構模型圖

作為「大爆炸」的「餘燼」,宇宙微波背景輻射大約在「大爆炸」后38萬年產生,其中的光子在宇宙中穿行時會經歷一系列物理過程,特別是在經過質量較大的星系時,這些光子將遭遇「引力陷阱」。探測結果顯示,宇宙年齡約為137億年,宇宙由23%的暗物質,73%的暗能量,4%的普通物質組成。宇宙中所佔比例最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的,至今僅知道它們存在著,但還不清楚它們的性質。

威爾金森微波各向異性探測器宇宙由23%的暗物質(外圍),73%的暗能量(最外圍),4%的普通物質(內圍)所組成-模型圖
威爾金森微波各向異性探測器 -工作原理
圖1 WMAP的空間軌道(a)和L2附近的引力勢(b等勢曲線)圖1 WMAP的空間軌道(a)和L2附近的引力勢(b等勢曲線)

重 840kg的WMAP於2001年6月30日升空,經過三階段繞地-月系統的飛行后,被彈射到日-地系統的第二拉格朗日點L2,該點在月球軌道之外,距地球約150萬千米,其周圍區域是引力的鞍點,在這裡衛星可以近似保持距地球的距離,需要很少的維護工作,WMAP的維護工作約一年四次。在與地-月系統繞太陽轉動的同時,WMAP在L2軌道上還做著0.464轉/分鐘的自轉和1轉/小時的進動。為了降低系統誤差,WMAP精確測量的是天空上分隔180度至0.25度的任意兩個方向的溫度差。為了獲得全天的信息,WMAP採用了複雜的全天掃描方式,做一次完整地全天掃描要六個月的時間。第一次公布的數據(2003年)包含了兩組全天掃描的結果。

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WMAP測到的全天的各向異性數據,要傳送回地球,經過複雜的數據校準和數據處理后,就像地圖(map)一樣,我們可以用這些數據繪製一幅關於全天輻射各向異性的圖(map),圖(map)上任一點記載著對應的天空方向的溫度漲落。該圖(map)用Molleweide投影的方法繪出,該方法把全天的各項異性信息映射到一個2:1的橢圓上,保持水平線是直線,子午線除中間一條外都是橢圓弧,並保持相鄰的平行線和子午線所包絡的面積不變。WMAP共給出五個波段的全天圖:W-band(~94GHz),V-band(~61GHz),Q-band(~41GHz),Ka-band(~33GHz)和K-band(~23GHz)。其選取的目的是為降低前景輻射(如銀河系的輻射)對CMB的污染,在這些頻率上CMB各向異性與前景輻射污染的比率最大。其中,K-band和Ka-band不用做CMB的分析,因為它們有著最大的前景污染和它們所觀測的在l-空間的區域是受限於其他頻段測量所帶來的不確定性(cosmic variance)。

為了得到CMB各向異性的信息,對瀰漫的星系輻射和星系外的點光源的理解是很重要的,以便去除這些污染信息。通過採取Kp0、Kp2等屏蔽(mask),線形組合多頻段的WMAP數據,去除電源和SZ效應等手段,才最終得到了CMB的各向異性信息。

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威爾金森微波各向異性探測器 -相關測量
威爾金森微波各向異性探測器Molleweide投影地圖

威爾金森微波各向異性探測器在宇宙學參量的測量上提供許多比早先的儀器更高準確性的值。根據當前的宇宙模型,顯示:

宇宙的年齡是137億 ± 2億歲。

宇宙的組成為:
4% 一般的重子物質
22% 為種類未知的暗物質,不輻射也不吸收光線。
74% 為神秘的暗能量,造成宇宙膨脹的加速。

宇宙論以這三年的資料,雖然在大角度的測量上仍然有無法解釋的四極矩異常現象,對宇宙膨脹的說明已經有更好的改進。
哈勃常數為70 (公里/秒)/百萬秒差距 + 2.4/-3.2
數據顯示宇宙是平坦的。

宇宙微波背景輻射偏極化的結果,提供宇宙膨脹在理論上傾向簡單化的實驗論證。

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