普朗克卫星揭秘宇宙奥秘：CMB数据测量新突破
普朗克卫星揭秘宇宙奥秘：CMB数据测量新突破
2024年10月，中国科学院国家天文台赵公博研究员团队基于最新的暗能量光谱巡天（DESI）第一年观测数据，结合普朗克（Planck）卫星的宇宙微波背景辐射（CMB）数据，发现标准宇宙学模型仍然面临“哈勃常数危机”。这一发现再次表明，很可能存在超出标准模型的新物理。
Planck卫星：CMB观测的里程碑
普朗克卫星是欧洲空间局（ESA）于2009年发射的CMB探测器，其主要任务是以前所未有的精度绘制CMB的全天空图。与之前的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）相比，Planck卫星在多个方面实现了重大突破：
- 更高的角分辨率：Planck的角分辨率约为5弧分，而WMAP为13弧分，这意味着Planck能够观测到更细微的温度波动。
- 更宽的频率覆盖范围：Planck在30-857 GHz的9个频率通道上进行观测，而WMAP只有5个频率通道，这有助于更好地分离CMB信号和前景污染。
- 更高的灵敏度：Planck的探测器灵敏度比WMAP提高了约10倍，能够捕捉到更微弱的信号。
- 先进的数据处理算法：Planck团队开发了更复杂的数学方法，如主成分分析（PCA）和独立成分分析（ICA），以提取有用信号并减少噪声。
揭秘宇宙的奥秘
Planck卫星的高精度数据为科学家提供了前所未有的机会，以深入研究宇宙的起源和演化。以下是一些关键发现：
精确测量宇宙学参数：Planck数据提供了对宇宙年龄、Hubble常数、暗物质比例等关键参数的最精确测量。根据Planck 2018年的最终数据分析，宇宙的年龄为137.99±0.21亿年，暗物质占宇宙总能量密度的26.8%，暗能量占68.3%。
揭示CMB的极化特征：Planck不仅测量了CMB的温度波动，还首次绘制了全天空的CMB极化图。这些数据对于研究宇宙早期的引力波和暴胀理论至关重要。
发现宇宙的“异常”：Planck数据揭示了一些与标准宇宙学模型不符的现象，如CMB温度波动在大尺度上的不对称性，以及某些方向上异常强烈的“冷斑”。
哈勃常数危机：新物理的曙光？
近年来，一个被称为“哈勃常数危机”的问题引起了科学界的广泛关注。通过CMB（如Planck数据）测量得到的Hubble常数（约67.4 km/s/Mpc）与通过超新星和造父变星等“距离阶梯”方法测量的结果（约73.2 km/s/Mpc）之间存在显著差异。这种差异可能暗示着：
- 标准宇宙学模型（ΛCDM模型）需要修正
- 存在未知的物理过程，如额外的中微子种类或动态暗能量
- 测量中存在系统误差
赵公博研究员团队的最新研究进一步加剧了这一危机。他们利用DESI数据，在不假设特定宇宙学模型的情况下，独立测量了Hubble常数和声波视界。当将这些结果与Planck数据结合时，发现标准模型仍然无法同时解释低红移和高红移的观测数据。
未来展望
随着技术的不断进步，我们有望获得更精确的CMB数据。下一代CMB探测器，如LiteBIRD和CMB-S4，将致力于探测更微弱的B模式极化信号，这可能揭示宇宙暴胀时期的引力波信息。
同时，结合其他观测手段（如引力波、快速射电暴等）的多信使天文学，将为解决“哈勃常数危机”提供新的线索。这些努力不仅将深化我们对宇宙的理解，还可能引领物理学的下一次革命。
普朗克卫星的观测数据已经为我们揭示了宇宙的许多奥秘，但显然，关于宇宙的故事远未结束。随着更多数据的积累和新技术的应用，我们有理由相信，人类将能够更深入地理解这个充满奇迹的宇宙。