英国科学家在普朗克科学使命中扮演了主要角色,很多的英国机构和公司组建了大项目科学合作联合体,共同研制了两台焦平面仪器:HFI和LFI,曼彻斯特大学所属的焦德雷尔班克天文台研制了其中的关键部件——LFI接收器,卡迪夫大学的科研机构研制了HFI的硬件部分。英国的科研机构参加了普朗克太空望远镜的研制计划,其中包括伦敦帝国学院、剑桥大学、牛津大学,英国的大学和科研机构组建了伦敦普朗克分析中心和剑桥大学普朗克分析中心,两大中心的使命是对普朗克卫星的观测数据进行分析并开发相关的模拟软件。
焦德雷尔班克中心参入了普朗克使命计划,焦德雷尔班克天体物理中心(JBCA)的科研人员直接参加了两台最低电磁波频率仪的运行管理,两台辐射仪的频率分别为30和40千兆赫,每台辐射仪安装了4到6个探测器,它们适应的环境温度为20K或零下253.15摄氏度(零下423.67华氏度),两台辐射仪的分辨率为33和27弧分,灵敏度为1.6和2.5微K,辐射仪的核心部件是在低温环境运行的低噪音放大器,焦德雷尔班克天体物理中心得到了美国弗吉尼亚大学的国家射电天文台的帮助,成功地研制了低噪音放大器。
焦德雷尔班克天体物理中心的B·马菲和G·皮萨诺博士参入了焦面仪器的研制计划,研制地点最开始时设在了卡迪夫大学、现在转移到了曼彻斯特大学,两位博士研究人员在焦面仪器的设计、开发和校准等方面发挥了主要作用,他们在冷光学领域与加州理工学院所属的空气动力实验室(JPL)、爱尔兰梅努斯大学、法国天体物理中心的科研人员开展了良好的合作。
普朗克大项目计划的共同责任人之一是焦德雷尔班克天体物理学中心退职的名誉教授罗德·戴维斯,在普朗克大项目下设置了小项目,焦德雷尔班克的理查德·戴维斯教授和克莱夫·迪更生等科研人员负责很多的小项目,14个小项目的主管专门负责普朗克卫星观测的一个方面,比如:在星系磁场旋转电子,在星际介质中弥漫的电离气体和灰尘颗粒,从气体和灰尘颗粒发射的谱线,这些谱线覆盖了整个的频谱范围。普朗克太空望远镜的接收器十分敏感,在仪器的校正和识别、数据系统化和分类方面,焦德雷尔班克天体中心处于世界的主导地位。
普朗克卫星绘制了全空域图谱CMB,全空域图谱或“宇宙地图”记录了宇宙的最古老光线,在宇宙诞生之后的38万年,“普朗克光线”在整个太空印刻了痕迹或遗留了古老的“光化石”。CMB是宇宙微波背景辐射的字母缩写,古老的宇宙光线在漫长的时间中转化为宇宙微波背景,“宇宙地图”记录了CMB数据,精细的宇宙地图显示了太空温度微小的涨落变化,科学家从中做出了判断,在宇宙早期不同区域的物质密度出现了微小的差异,微小的物质密度差种下了宇宙未来演变的“种子”,早期宇宙雏形的种子最终演变为人们在今日宇宙看到的恒星和星系,一颗颗发芽的宇宙“种子”已长成了宇宙的“茂密森林”。
在宇宙38万年的年龄或更早的时期,年轻的宇宙呈现了“热气腾腾”、“万马奔腾”的景象,婴儿时期的宇宙好似一大碗灼热而稠密的“羹汤”或“粒子羹汤”,其中充斥了相互作用的质子、电子和光子,宇宙羹汤的温度大约为2700度,宇宙温度随着自身的膨胀而下降,当“羹汤”内的质子和电子结合为氢原子时,光子摆脱了粒子的束缚,从粘稠的羹汤中获得了自由释放,最古老的光线在宇宙膨胀的过程中布满了整个宇宙太空,最终伸展为微波波段的光辐射,宇宙微波背景辐射的对应温度仅为绝对零度以上的2.7度。
依据宇宙标准模型的解释,宇宙不是先天的存在,而是后天的生成,宇宙诞生于一次偶然的大爆炸事件,古老光线在宇宙膨胀的过程中延伸到了整个大尺度的太空。在宇宙大爆炸之后,宇宙经历了一个极短的加速膨胀时期,天文学家称之为宇宙暴涨。普朗克项目设定了设计思路,主要观测和绘制遍布在整个太空的温度微小涨落的微波辐射图谱。普朗克卫星天文台不同于以往的观测仪器,它有更高的分辨率和灵敏度,可以从CMB图像中读出宇宙从诞生到现在的物质和能量的构成以及如何演化的宇宙学信息。
普朗克卫星数据的分析成果陆续出台,一系列论文揭开了普朗克项目的研究成果。普朗克太空天文台在2009年发射升空,在经历了15.5个月之后,普朗克卫星采集了第一批数据,第一份完整的全空域CMB图像在2010年公开发布。科研人员在普朗克望远镜的接收器内安装了两台含有9个频率波段的高科技仪器,一是低频率接收仪(LFI),二是高频率接收仪(HFI),HFI在2012年1月完成了观测使命,LFI继续执行观测的指令。2011年,普朗克卫星项目的科学团队发布了第一份科学分析数据,在2014年的早期发布了第二份科学分析数据,确定了诸如宇宙年龄、暗物质和暗能量的比例。
(编译:2021-3-26)