[“普朗克”告诉你宇宙的起源和演变] 普朗克

　　为了给国际天文年增添喜气，欧洲空间局不久将从法属圭亚那库鲁发射场发射欧洲空间局的“普朗克”和“赫歇尔”两颗天文卫星。其中，“普朗克”卫星将在最高分辨率上观测远红外光谱，考察137亿年前宇宙大爆炸后瞬间充满宇宙的辐射残余――宇宙微波背景辐射，回答人类最关心的问题：宇宙是如何起源和演变的。
　　
　　“普朗克”的使命――发掘“创世遗迹”
　　
　　在“普朗克”卫星之前，人类发射过考察宇宙微波背景的航天器。“宇宙背景探测器”于1989年11月18日发射，它确定了宇宙微波背景呈现的各向异性，该卫星拍到的全天域宇宙微波背景辐射图是一张宇宙只有38万岁时的“婴儿照片”，忠实再现了那时候太空最为古老的辐射现象，把人类与宇宙的早期直接联系了起来。不过遗憾的是，“宇宙背景探测器”缺乏足够的分辨率去回答一些重要问题，无法提供给宇宙学家一些失落的细节。2001年6月30日发射的“威尔金森微波各向异性探测器”对宇宙微波背景进行了更详细的测量，但其分辨率仍然不够高，没有解答人们心头所有的疑问，需要科学家对宇宙微波背景辐射做进一步精细测量和精确研究。
　　根据现代宇宙学中最有影响的“大爆炸”学说，我们的宇宙是大约137亿年前由一个非常小的点爆炸产生的，目前宇宙仍在膨胀，这一学说已得到大量天文观测的证实，然而它并没有解决宇宙的形状、结构和未来等问题。2004年5月，美国《物理评论通讯》发表了蒙大拿州立大学天体物理学家尼尔・科尼什教授的一项新的研究工作，就是利用宇宙微波背景辐射的数据寻找能表明宇宙像球状镜室的证据。他认为，宇宙中同一个物体的多个国像可以在与时空中不同的地方呈现出来。镜室效应可能意味着宇宙本来是有限的，但却产生宇宙是无限的感觉。科尼什说：“没有迹象表明宇宙是有限的，但是也没有证明它是无限的。”
　　
　　看来，要想揭开宇宙的起源和演变之谜，就必须深入研究分析隐藏在它早期发出的微波辐射中的线索，科学家们急切盼望着能获得更清晰的天体背景辐射图像，以便证实“暴涨宇宙”学说有关背景辐射中光子偏振的预言，更好地分析判断早期宇宙的属性，诸如质子和电子的密度，以及物质和辐射之间的能量分配问题，消除有关对宇宙演化理论的分歧。这一切部有待于新一代宇宙微波背景辐射探测卫星“普朗克”的发射升空。
　　
　　“普朗克”的独特之处
　　
　　“普朗克”卫星计划最早起源于欧洲空间局在1994年提议的两个研究项目，原来分别叫“宇宙背景辐射各向异性卫星”和“背景各向异性测量卫星”。由于它们的目标相似，在1996年被合并为一个探测任务，并以德国著名科学家普朗克的名字命名。
　　“普朗克”卫星的主体结构呈圆柱形，高4.2米，最大直径4.2米，发射质量约1.9吨，包括服务舱和有效载荷舱。服务舱装有电源、姿态控制、数据处理和通信等系统，以及对温度要求不高的科学仪器；有效载荷舱包括望远镜、光学操作台、一部分需要冷却的仪器及冷却系统。
　　
　　探测宇宙温度
　　
　　“普朗克”卫星将搜寻整个太空，研究宇宙物质，以前所未有的精度测量宇宙微波背景辐射温度的细微变化，因为温度的差异揭示了早期宇宙不同地区密度的差异，高密度区域最终会形成我们今天所看到的星系或星系群等宇宙大尺度结构，帮助天文学家发展和验证现有的宇宙学理论。为了完成这一任务，“普朗克”卫星携带了1.5米口径的望远镜，望远镜能利用安放在舱内名为“低频仪器”和“高频仪器”的高灵敏传感器收集宇宙微波背景辐射，瞬息敏感度比“宇宙背景探测器”高10多倍。
　　
　　
　　携带最冷的探测器
　　
　　为了能准确测量微波背景辐射的温度，“普朗克”卫星上的探测器必须冷却到接近绝对零度。由法国天体物理研究所研制的低频仪器在－253℃下工作；而由意大利地外辐射技术研究所研制的高频仪器在－272.9℃下运行。要想保证仪器处于如此低的温度，技术人员采用了复杂的冷却系统。卫星表面安装了一个黑色遮挡板，它实际上就是一个有效的散热器，能把探测器冷却到60K；接着一台氢吸附冷却器能将探测器冷却到20K；然后探测器被一台机械冷却器冷却到4K；最后通过混合正常氦与稀有氦同位素将探测器冷却到约100mK。
　　
　　拥有最敏锐的“视觉”
　　
　　“普朗克”卫星具有更高的角分辨率，比“宇宙背景探测器”高了50多倍，该卫星可绘制宇宙微波背景图，角分辨率在10弧分以上，能确定宇宙的空间曲率，并能分辨某处天区中百万分之一度的温度差异，而且绘制的宇宙微波背景图能够自动将来自银河系和河外星系的光谱辐射从宇宙背景信号中去除。
　　
　　距离地球一百多万千米
　　
　　“普朗克”卫星由阿里安-5火箭发射后不久将与火箭分离，在发射4个月～5个月之后，卫星将进行一次机动，直接到达日地系统的L2，进入围绕L2的利萨如轨道。卫星的轨道周期大约6个月，设计寿命为2年。
　　L2实际是太空中的一个虚点，距离地球大约115×106km。卫星处于L2的环境中时，能够与地球保持稳定的无线电通信，并能保证观测时间的不见断，因此L2成为国际天文观测计划选定的最佳位置。
　　位于达姆施塔特的欧洲空间操作中心将通过澳大利亚附近的新诺斯地面站与卫星进行通信。运行在围绕L2轨道上的卫星每天有3小时的时间能与地面取得联系，这时前一天记录下来的科学数据被发回地面，同时下一个自主控制期的指令被传到卫星上。
　　
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　　马克斯・普朗克(1858～1947)近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。普朗克在物理学上最主要的成就是提出了著名的普朗克辐射公式，创立能量子概念。19世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然瑞利・金斯(1877～1946)和维恩(1864～1928)分别提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律，但是和实验相比，瑞利・金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。普朗克从1896年开始对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力，终于导出了一个和实验相符的公式。他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有3页纸的论文，题目是《论维恩光谱方程的完善》，第一次提出了黑体辐射公式。12月14日，在德国物理学会的例会上，普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中，他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是v的能量的最小数值ε=hν。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数。普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中，系统地总结了他的工作，为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。
　　1918年普朗克荣获诺贝尔物理奖。