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很快第一批数据被传回地球,很明显,COBE运行完全正常,每个探测器在火箭发射的物理压力下完好无损地存活下来。然而,斯穆特和他的同事们还无法就其任务的主要目标对外发布任何声明。
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要证实或证伪是否存在CMB辐射的变化,都需要一个漫长的过程来对DMR探测器的数据进行细致分析,甚至累积这些测量数据本身就是一个缓慢的过程。这个探测器可以同时测量并比较来自相距60°天空的两小块区域的CMB辐射,但为了测量整个天空的辐射分布,卫星首先必须绕地球转上几百次。1990年4月,DMR探测器最终完成了对整个天空的第一轮粗略巡查。
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第一批数据的分析显示,在1/3000的水平上没有观测到CMB辐射的任何变化的迹象。第二轮巡查结果表明,在1/10000的水平上仍没有观测到任何变化的迹象。科普作家马库斯·乔恩将这些测量值描述为“毫无破绽的平坦”。
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COBE已被送入太空去发现孕育今天星系的变化。也许它们只是很难找到。也许它们根本不存在,这样的话那对于大爆炸模型将是灾难性的,因为星系的生成就没法解释。而如果没有星系,就没有恒星,没有行星,没有生命。情况正变得越来越令人沮丧。正如约翰·马瑟说的那样:“我们还不排除我们自己的存在。但如果背景辐射没留下一丁点痕迹,我对今天的结构到底是如何会存在就完全迷惑了。”
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乐观者希望,更多的数据,更仔细的巡查也许就会发现CMB辐射的变化。而悲观者担心,更仔细的检查将证明CMB辐射是完全光滑的,大爆炸模型有缺陷。随着每一个月的过去,CMB辐射的变化到底是存在还是不存在没有任何说法,谣言开始在宇宙学界和科学出版界四处流传。理论家开始发展大爆炸模型的特设变种,它不一定需要以CMB辐射的变化为前提。《天空与望远镜》杂志登了篇标题为“大爆炸:是死是活?”的文章综述了当时的心情。小的稳恒态社群振奋起来,并开始重新批评大爆炸模型。
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图101 COBE卫星于1989年发射升空。3个探测器由屏蔽罩保护,以免受到来自太阳和地球的热和微波辐射。屏蔽罩中心的杜瓦瓶装着液氦,用于卫星组件的冷却,以减少卫星本身的微波辐射排放。
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到目前为止,我给出的都是来自任意方向的单一波长的CMB辐射,但在实际情形下,任何方向的CMB辐射都有一个波长范围。但这种波长分布的特性可以用明显的峰值波长来表征,这就是为什么CMB辐射被处理成就好像它是由单个波长构成的一样。
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大爆炸模型的命运取决于DMR探测器的测量结果。它可以对两个不同方向的入射CMB辐射进行比较,找出峰值波长的差异。这种差异表征着早期宇宙中的密度变化,较高密度区域将是今天的星系的苗圃。
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FIRAS探测器和DIRBE探测器被设计用来分析CMB辐射的其他方面。
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COBE团队之外没有人意识到,期待已久的变化正逐渐开始显现。这种变化的迹象非常不确定,以至于研究者不得不守口如瓶。
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COBE的DMR探测器从1990年到1991年持续收集了更多的数据,并在1991年12月完成了对整个天空的第一次彻底巡查,进行了700万次测量。最后,变化在1/100000的水平上显现出来。换句话说,CMB辐射的峰值波长随位置变化的迹象在0.001%的精度上显露出来。CMB辐射在天空中的变化非常微弱,但关键是它们确实存在。它们恰好大到足以表明在早期宇宙中密度波动的影响,这种影响足以孕育星系的后续发展。
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一些COBE科学家急于发布这一结果,但其他人表现得更加谨慎,而且后者占了上风。COBE团队决心彻底审查数据,以便确信这些变化不是来自探测器的故障或分析失误。为了营造谨慎和自我批评的氛围,斯穆特做了悬赏:任何人,只要能挑出分析中的错误,便可获得一张免费去世界任何地方旅游的机票。他意识到,他正从事着科学史上最敏感的测量,非常隐蔽的错误很容易影响结果。他曾经将寻找CMB辐射的微弱变化的挑战比喻成“在一片嘈杂——无线电啸叫、海浪拍岸声、人喊狗叫和穿越沙丘的越野车怒吼声——中听出一声耳语”。在这种情况下,很容易听到错误的声音,甚至想象听到某种声音但其实不是真的存在。
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经过近3个月的进一步分析和论证,COBE团队一致认为变化是真的。是时候对外公布了。一篇论文被提交到《天体物理学期刊》,并商定,在1992年4月23日于华盛顿召开的美国物理协会年会上宣布这一发现。
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斯穆特,作为建造DMR探测器团队的发言人,荣幸地应邀向济济一堂的听众作报告,给出真正重大的结果。自从彭齐亚斯和威尔逊发现了CMB辐射后,四分之一世纪过去了,现在,预期的变化终于得到查实。由于结果一直属于高度机密,所以连会议组织者事先都不知道斯穆特会在会上做出这样重大的公告,因此给他的发言时间就是标准的12分钟,但这已足够呈现科学史上这一最重要的发现。所有出席者均满怀敬畏地看着这一宇宙景观戏剧般地落幕。大爆炸确实能解释星系的形成。
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中午举行了重要的新闻发布会。媒体的新闻稿登出了COBE给出的宇宙地图,上面的每块红色、粉红色、蓝色和淡紫色代表着不同的密度。地图的黑白版本如图102所示。每个椭圆形地图表示整个天空,它们被展开并重组成平面图,正如在地图集里球形地球的地图被展成平面图一样。
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许多记者和他们的读者看到这些图片,认定每个补丁代表了CMB辐射的真正变化,并大肆吹嘘在十万分之一的水平上起伏显示得很清晰。事实上,COBE的测量受到DMR探测器本身发射的随机辐射的严重影响,因此在关键性的图[图102(b)]中,包含了显著的随机辐射成分。这种污染严重到你单独看图时根本不可能分辨哪个斑点是CMB辐射的真正变化,哪些是由探测器的随机涨落引起的。然而,COBE科学家已经用复杂的统计方法证明了,在他们宣布的精度水平上,存在CMB辐射的真正变化,因此其结果是有效的,即使分布图有点误导。本来将统计分析后的数据交给记者要比交图更准确,但没有哪位新闻记者会理解它。不管怎样,插图编辑们肯定对第二天见报的文章配有出人意料的图像心存感激。
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统计分析很复杂,但乔治·斯穆特的消息传到世界其他地方却很简单。COBE卫星已找到的证据表明,大约在宇宙创生后的30万年左右,整个宇宙的密度存在十万分之一水平的微小变化,随着时间的推移,这一变化最终导致了我们今天看到的星系。在前一天花了一晚上功夫才琢磨出该怎样在新闻发布会上给出清脆的回答,斯穆特告诉聚拢来的记者:“我们已经观察到早期宇宙中最古老和最大的结构。这些结构是现今的天体结构如星系、星系团等的原始种子。”斯姆特还给了记者一个更加难忘和迅捷的引语:“好吧,如果你信教,它就像你看到的上帝的面容。”
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图102 COBE看到的空间。它看到来自四面八方的CMB辐射。辐射的变化被映射到的球的表面,就像COBE被定位在球体的中心看出去的那样。COBE给出了几种球形图,其中两张被展开成这里的二维分布图。原图是彩色的,但这里显示为黑色、白色和灰色。阴影反映的是由COBE的DMR探测器测得的CMB辐射的强度的变化。
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图(a)主要是叠加了我们银河系的恒星的辐射,它在赤道附近呈条纹状。这张照片得了个绰号“汉堡包”。
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图(b)是剔除了银河系的影响后的辐射分布图。它较好地展示了整个宇宙的CMB辐射变化。大部分的图仍然是以随机噪声为主,但统计分析显示了在十万分之一的水平上CMB辐射的真正变化。
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新闻界的反应是全部拿出整个头版来报道COBE结果。《新闻周刊》杂志最为典型,它采用了戏剧性的通栏标题:“上帝的印迹”。虽然对激情之下他说的话略显尴尬,然而斯穆特自认为没有遗憾:“如果我的评论能够让人们对宇宙学产生兴趣,那么这就对了,这是肯定的。总之现在话已出口。我不能把它咽回去。”
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上帝的提及、醒目的图像和COBE突破的科学重要性确保了这段历史毫无疑问地成为近十年来最有趣的天文学故事。甚至连史蒂芬·霍金都来火上浇油地凑热闹,他说:“这是20世纪中最重大的发现,如果不说是所有人类历史上的话。”
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