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早期宇宙膨胀直接证据为宇宙研究打开突破


来源:中国科学报

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约50年前,人类首次探测到了宇宙大爆炸的“晚霞”——宇宙微波背景(CMB),它是一束由长波长光子组成的暗淡光线。3月17日,天文学家声称,安置在南极的微波探测器BICEP2首次记录下“B模式”信号,该信号是CMB中一种难以捕捉的涡流数据,是早期宇宙的一段烙印。宇宙大爆炸理论认为,爆炸发生之后会立刻产生大量辐射,而辐射会生成蔓延整个宇宙的引力波。本次探测到的B模式信号就是引力波在宇宙时空结构中存在的直接证据。

宇宙大爆炸遗留的辐射可能成为人类解开早期宇宙最大奥秘的一把钥匙,天文学家决心利用这份“大礼”,探寻更多的宇宙奥秘。

位于南极的BICEP2望远镜 图片来源:Steffen Richter

位于南极的BICEP2望远镜 图片来源:Steffen Richter

约50年前,人类首次探测到了宇宙大爆炸的“晚霞”——宇宙微波背景(CMB),它是一束由长波长光子组成的暗淡光线。3月17日,天文学家声称,安置在南极的微波探测器BICEP2首次记录下“B模式”信号,该信号是CMB中一种难以捕捉的涡流数据,是早期宇宙的一段烙印。宇宙大爆炸理论认为,爆炸发生之后会立刻产生大量辐射,而辐射会生成蔓延整个宇宙的引力波。本次探测到的B模式信号就是引力波在宇宙时空结构中存在的直接证据。

现在最关键的问题是:本次探测到的B模式信号是否是真实的?如果结果像绝大多数领域内专家所认为的那样——是肯定的答案,那么许多更加广泛精确的测量手段将会出现,B模式天文学研究将进入一个新纪元。科学家希望通过研究B模式信号弄清宇宙大爆炸后星系形成和聚集的方式,同时对宇宙最初的形态有更深刻的了解。随着B模式信号研究的推进,许多原本神秘的因素,例如掌控宇宙形状和命运的暗物质和暗能量,也将一一展露它们的秘密。

英国剑桥大学宇宙学家George Efstathiou说:“CMB是我们研究早期宇宙最好的一个突破口。”不过,研究早期宇宙单靠B模式研究是不够的。本次探测到的信号有局限性,且各项正在开展的研究之间没有进行很好的协调。此外,目前可用于研究的手段也是有限的。

研究初期

B模式信号的发现纯粹是一个“幸福的意外”。1964年3月20日,美国新泽西州霍姆斯市贝尔实验室的Arno Penzias和Robert Wilson在绘制银河系的射电辐射图时注意到了一股微弱的信号,该信号似乎是来自各个方向。起初,他们认为它是当地人类活动的产物,直到与一名同事交流后才认定它来自宇宙。

对于B模式信号,宇宙大爆炸理论长期以来一直都有预测。该理论认为宇宙不是一直存在的也不是亘古不变的,而是在某一时刻经过一场大爆炸而形成的,本次发现是支持该理论的强力证据。Penzias和Wilson的发现证明,宇宙的温度曾一度比今天高很多。他们记录下来的光子是宇宙大爆炸38万年之后被释放出来的——当时正在不断延伸的宇宙空间已经冷却到足以使电子和质子结合形成氢原子的阶段。光子在宇宙中不停穿梭,它完好地保存着被释放时所记录下来的“宇宙片段”。

1990年,美国宇航局(NASA)发射的宇宙背景探险者卫星(COBE)首次精确测量出CMB的温度为2.725开尔文,且证明无论从任何方向测量结果都是一样的。这表明原始的等离子体具有始终如一的特性。

但科学家很快就证明CMB是不均衡分布的。1992年,COBE项目科学家发现,随着宇宙延伸,CMB的温度相差约为十万分之一。这种微小的“各向异性”蕴涵着宇宙进化过程的重要信息。光子在被释放出来时会在CMB内形成“热点”和“冷点”,代表着不同区域中气体密度的微小差异。绝大多数宇宙学家认为这种差异的形成受到了重力的影响。在重力作用下,宇宙气体密度较大的区域会开始聚合并形成星系。

“各向异性”的发现还引发了理论家的灵感,进而提升了人们对CMB的认知。科学家认为,CMB中“热点”和“冷点”的大小是由宇宙中大量的压力波和密度波所决定的。随着宇宙的伸展,两种波动的频率有高有低,就如同小提琴内的谐波回声一般。

天文学家通过研究CMB中两种波动的主频或声峰能推断出宇宙的许多物理特性。例如最大的声峰波动在1度左右,相当于月球直径的2倍大小。这恰好和理论中推测的一样,证明不断延展的宇宙是一个几何平面,因此在宇宙中穿梭的平行光线永远不会相交。此外,第二大声峰波动大约为0.4度,天文学家据此推测:普通的物质如原子、行星以及恒星的总质量只占全宇宙总质量的不到5%,剩下95%的物质都是不可见的暗物质和暗能量。

极化现象

10年前,科学家研制出了对光子的极化具有高灵敏度的探测器,此后CMB研究进入了一个新阶段。极化现象是由宇宙等离子体内的光子散射出自由移动的电子而产生的,而最有可能测量这种现象的途径就是B模式。科学家相信通过研究B模式能找到直接的证据证明:宇宙在刚生成的10-36~10-32秒左右经历过极其强大的辐射。

理论家于上世纪80年代早期提出了一个设想,用于解释为何宇宙在总体上是呈一个平滑的几何平面的。他们认为,宇宙的急速膨胀会将绝大多数不规则的物质驱离出去,并将一切弯曲的物质压平。所剩不多的不规则物质在CMB中以温度的各向异性呈现,能极大地放大宇宙能量中原本微小的量子波动。

但以上都是理论假设,研究者必须具备测量B模式的能力才能予以证明。这要求他们找到一种能识别微弱信号的方法,而后者很容易被宇宙尘埃和星系磁场释放出的极化物质所掩盖。此次BICEP2探测器侦测到的B模式信号的规模在1度左右,足以避免星系磁场的干扰。研究者可以据此探寻一些最基本的极化模式,例如不断膨胀的引力波。BICEP2的探测结果令整个宇宙学界振奋不已,但也带来了新的疑问:BICEP2探测到的极化模式的强度极大地超过了任何一个宇宙模型的预测。

在接下来的数年时间里,共有6项实验将在南极洲和智利开展,专门用来确认BICEP2探测结果的真实性。此外,普朗克卫星的研究数据将于今年秋季公布,其中包括新绘制出的极化图。宇宙学家对此抱有更高的期待,因为普朗克卫星的探测范围比陆基探测器的探测范围更大。相较于后者只能探测到未被空气中的水蒸气吸收的窄波段辐射频率,普朗克卫星的超强探测能力可为天文学家提供“一览无遗”的视野。如果普朗克卫星证明BICEP2的发现是真实的,那么整个学界将为此狂欢。如果结果不理想,宇宙学家必须对此作出合理的解释,那将是一项艰巨的挑战。

下一代实验

在“纠结”于BICEP2探测结果的同时,研究CMB的科学家也在着重提升测量B模式的能力。例如,目前有许多用于精确测量辐射的理论,每一种理论都对引力波在宇宙的分布提出了具体推测。掌握测量B模式的方法有助于天文学家梳理并排除明显是错误的理论。

此外,B模式还与宇宙中的质量分布以及星系的聚合方式密切相关。科学家通过研究B模式信号可以解开不少宇宙中未解的谜题,例如了解暗能量的性质和识别不可见的暗物质粒子。前者使宇宙的膨胀速度加快,而后者则占有宇宙总质量的绝大部分。

通过将宇宙中氢的研究和B模式信号的研究相结合,科学家能探测到宇宙中第一颗恒星和第一批星系发射出的电离辐射。科学家认为,从那个年代分散出来的电子必定含有CMB中B模型的重要极化信息。

但是,资金短缺是横亘在B模式研究面前的一道坎。一些天文学家建议削减一些研究B模式的陆基实验项目,他们抱怨这些陆基的CMB研究项目不愿共享研究数据。但另一些人认为,陆基实验项目更加经济,且两种渠道齐头并进能确保更好地推进B模式研究。归根结底,所有人都认可的一点是:开展太空CMB研究项目势在必行。

尽管未来有许多不确定性,但研究CMB的科学家仍然斗志满满。Efstathiou说:“仁慈的大自然给予我们如此珍贵的礼物,让我们有机会看清早期的宇宙是什么样子。我们必须牢牢把握机会,一探究竟。”(段歆涔)

《中国科学报》 (2014-05-19 第3版 国际)

[责任编辑:李大鹏]

标签:天文学家 星系 射电辐射

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