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詹姆斯韦伯望远镜:能证明诺奖得主彭罗斯的循环宇宙理论真假吗?

佚名 科学 2020年11月23日

詹姆斯韦伯望远镜:能证明诺奖得主彭罗斯的循环宇宙理论真假吗?

10月6日,天文界出了一件大事,诺奖得主罗杰·彭罗斯在《皇家天文学会月刊》发表了一篇重磅级论文《Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky》(微波辐射中存在霍金点的明显证据)!也许很多朋友看这标题都有点懵,这说的啥啊?


霍金点是黑洞蒸发后留下的痕迹,彭罗斯认为在宇宙微波背景辐射上观测到了霍金点,这是上一个宇宙的超级黑洞蒸发后留在微波背景辐射上的证据,也就是说,彭罗斯抛出了一个震荡天文界的答案:宇宙未来的结局将是循环宇宙!


宇宙到底是个什么结局?彭罗斯的循环宇宙是啥意思?

到现在为止,宇宙诞生的大爆炸理论在科学界取得共识的比例还是极高的,毕竟现在观测到的大部分现象都能和大爆炸理论相互印证!但科学界对宇宙未来的命运却扑朔迷离,因为遗留了太多的谜团需要解决!


宇宙有几个可能的结局?


尽管爱因斯坦折腾出了引力场公式,而且他也发现宇宙似乎并不是稳恒态的,但他还是没有勇气打破这个固有的认识,使得弗里德曼和勒梅特拔得了头筹,勒梅特提出了原生原子说,哈勃则在观测上证明了它,此后的科学家在理论和观测中分别证明大爆炸的余晖:微波背景辐射后大爆炸原初物质合成比例,观测与计算印证都非常精准!所以宇宙必定是动态的!


与宇宙命运相关的几个参数


弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规揭示了宇宙可能可能的几种发展方向,但不太容易理解,好在1967年爱德华·哈里森这位好人为大家整理了与弗里德曼度规相关的几种宇宙可能!一张表格,一目了然!


宇宙的几种可能


上图是关乎宇宙命运的空间曲率K和宇宙学常数Λ这两个参数结合,产生的各个可能的取值,没有静态宇宙!但命运却各不相同,至少我们知道宇宙坍缩的可能性很低,大多数情况下都是膨胀的!但这个决定命运的K和Λ如何来确定呢?


天文学家通过哈勃常数H和宇宙质量密度ρ以及普朗克卫星的观测得到一个临界密度,和现代宇宙的密度对比,发现两者几乎几乎一致,也就是说宇宙差不多就是平坦的,而且在微波背景辐射的观测上也指向了一点,宇宙可能不是封闭的!


当然到此时仍然有几种可能,如果宇宙是封闭的,那么在引力主导下可能会重新回到大坍缩,如果是开放的话,那么可能会继续膨胀,最不可能的就是加速膨胀将宇宙撕裂!


但在1998年的大发现则让科学界有点懵,因为两个科学团队都观测到一个惊人的事实,遥远的星系正在加速离去,而根据距离计算,宇宙大约在距今45亿年前,宇宙膨胀到现代宇宙的73%大小时,传说中的真空能产生的排斥力占据了主导,宇宙开始加速膨胀。也就是说宇宙将会走向此前最不愿意面对的结果:加速膨胀!


彭罗斯的循环宇宙是啥意思?


其实彭罗斯早在2010年就推出了这个理论,他并不太认同当前科学界普遍支持的能解释现代宇宙的暴涨说,这是麻省理工的阿兰古斯在80年代提出的,而是比较倾向于大坍缩,而且这个坍缩曾经不止一次的发生,宇宙一直处在循环中,而且我们的宇宙也不知道是宇宙的第几次循环!


霍金在时间简史中就曾提出平行宇宙的一种可能,就是时间轴上的平行宇宙,时间没有起点,它一直在发生,宇宙正是沿着这条时间轴反复爆炸-诞生宇宙-坍缩-再爆炸等,这些宇宙无穷无尽,但并不能相互往来!


霍金在1974年提出黑洞蒸发理论后,彭罗斯将其应用到了宇宙微波背景辐射观测上,因为黑洞蒸发时间极其久远,甚至在你能想象出的时间以外,因此上一个宇宙最后消失的就是黑洞,它的蒸发会在下一个宇宙爆炸时的余晖上留下痕迹!


彭罗斯认为微波背景辐射上留下了数个可能的霍金点,因此这将支持他提出的循环宇宙理论!在获得诺奖的当天发表了这篇论文是相当有深意的,这个推广效应相当大,不过可能在科学界获得支持并不多。


2021年詹姆斯韦伯望远镜发射,也许将揭开宇宙的谜团

据NASA最新消息,詹姆斯韦伯望远镜已经通过了测试,预计将在2021年10月份发射!可能大家已经对这个望远镜都快要失去信心了,确实,它无数次跳票,原计划是在2007年发射代替修修补补仍然在使用的哈勃望远镜,而在2011年7月21日,“亚特兰提斯号”最后一次任务返回后退出现役,哈勃再也无法维修,已经风雨飘渺!


哈勃的光学结构


哈勃望远镜是光学波段的RC结构望远镜,而随着人类对宇宙边缘认识的提升,迫切需要一种能在金红外波段的大口径光学望远镜来代替哈勃,因为随着宇宙的膨胀,更加遥远的星系辐射的光被红移到了近红外波段!


詹姆斯韦伯望远镜


哈勃最远能观测到宇宙诞生后大约4亿年形成的星系,而詹姆斯韦伯至少也可以观测到宇宙诞生后2亿年时的星系,甚至可能还会更远,直达大爆炸的余晖宇宙微波背景辐射的红外段!


詹姆斯韦伯的光学数据


哈勃望远镜的主镜大约为2.4米,光学结构为RC,而詹姆斯韦伯望远镜的口径则为6.5米,有18面六边形的主镜拼接而成的反射望远镜,结构简单但光学素质极高,而且它运行在太阳和地球之间的第二拉格朗日点,此处在地球远离太阳的方向,地球对观测几乎没有影响,并且还有一个大型遮阳板将保持它的镜片和四个科学仪器低于50 K(?220 °C;?370 °F),这让它的CCD可以工作在极其灵敏的状态下!


普通人(左)、哈勃太空望远镜(中)、詹姆斯·韦伯太空望远镜(右)大小对比


詹姆斯韦伯望远镜的主要任务是调查大爆炸理论的残余红外线证据(宇宙微波背景辐射),即观测今天可见宇宙的初期状态。


观测距离的对比


也许它将证明罗杰·彭罗斯循环宇宙的可能是否存在!


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