宇宙大爆炸之後很快發生的暴脹找到證據了嗎?

06-13

上面這張圖，很像梵高的作品。它是根據真實的天文觀測數據電腦繪製而成，不是一幅你以為的藝術作品哦。

這幅60度寬的影像顯示南半球天空的一塊，基於歐空局的普朗克衛星在微波和亞毫米波段進行的觀測。色標度代表來自塵埃的輻射，塵埃是瀰漫在銀河系中的星際介質的一個微小然而重要的部分。相反，質地表明銀河系磁場的方向。它建立在塵埃輻射的偏振光的方向測量值之上。高亮區顯示在南極的兩項地基實驗觀測到的一小塊天空的位置。然而，對來自BICEP2，凱克陣列和普朗克的數據的綜合分析表明這個信號本質上可能不是宇宙學的，而是由銀河系中的塵埃造成的。影像提供：ESA/Planck Collaboration. Acknowledgment: M.-A. Miville-Deschênes, CNRS – Institut d』Astrophysique Spatiale, Université Paris-XI, Orsay, France

今天豐富多彩的世界，如果要說起源，沒錯，你也看過美劇《big bang theory》,我們得說到約138億年前的宇宙大爆炸。

關於宇宙歷史的一些特殊的信息源——CMB以及人們極力尋找的宇宙暴脹的信號

關於宇宙歷史的信息源，其中一項重要的證據是宇宙微波背景輻射，也就是宇宙大爆炸之後380000年輻射的光的「遺產」。

歐空局的普朗克衛星以前所未有的高精度觀測了全天的宇宙微波背景，在過去兩年里揭示了關於早期宇宙的各種新發現。

但天文學家仍然在更深入地挖掘數據，希望在時間上向後探索得更遠：他們在尋找宇宙「暴脹」（一種非常短暫的加速膨脹）的特殊信號，據現有理論，宇宙在年僅一秒鐘的極微小部分時經歷了所謂的「暴脹」。

歐空局的普朗克衛星觀測到的宇宙微波背景（CMB）的各向異性。CMB是宇宙中最古老光的快照，當宇宙只有380000歲時印記在天空上。它顯示對應於具有微小差異的不同密度區的微小溫度波動，代表所有未來結構的種子：今天的恆星和星系。影像提供：ESA and the Planck Collaboration

暴脹的信號從何而來?

這個信號將由引力波——時空構造中的微小擾動「播種」，天文學家認為這些微小擾動會在暴脹階段產生。

有趣的是，這些擾動應該在宇宙微波背景的另一個特徵上留下印記：偏振。當光波在某個方向上偏振，我們就說光被偏振了。

CMB是偏振的，在天空中呈現複雜的排列。這由兩個基本模式的組合造成：圓偏振和徑向偏振（E模式），以及旋轉偏振（B模式）。

宇宙中的不同現象在不同角尺度或產生E模式，或產生B模式，確認各種貢獻需要極精確的測量。B模式能夠成為探測宇宙早期暴脹的途徑。

「尋找極早期宇宙的這種特別的記錄非常困難，也非常令人興奮，因為這種微妙的信號隱藏在CMB的偏振中，而CMB的偏振信號本身僅代表全部光的微弱的百分之幾，」陶伯說，他是歐空局的普朗克項目科學家。

曾引起巨大轟動的BICEP2的探測結果——看到了宇宙早期暴脹的信號，但如今看來，極可能來是銀河系內塵埃「捉弄」的

普朗克在這項研究中不是孤獨的。2014年年初，另一個天文學家團隊發表了基於BICEP2（在南極進行的一項實驗）在2010-2012年間對一小塊天空中偏振CMB觀測的結論。這個團隊也使用了來自另一項南極實驗凱克陣列的原始數據。

他們發現了某些新東西：在綿延的天空中觀測到的偏振的B模式比滿月的大小還要大幾倍。

BICEP2團隊給出了證據，支持這個信號起源於原初引力波的解釋，在學術界和公眾中激起了很大的反響。

然而，在這場遊戲中有另一個競爭者，它能夠產生相似的效應，它就是銀河系中的星際塵埃。

銀河系瀰漫著氣體和塵埃的混合物，在和CMB相似的頻率上發光，這種前景輻射影響了對最古老宇宙光的觀測。必須進行非常仔細的分析，才能把前景輻射從宇宙微波背景中分離出來。

嚴重的是，星際塵埃也輻射偏振光，因此也影響CMB偏振。

「當我們在數據中首次探測到這個信號時，我們依賴當時提供給我們的星際塵埃輻射模型，」科瓦克說，他來自哈佛大學，是BICEP2團隊的首席研究員。

「這些似乎表明我們選擇進行觀測的天區具有比探測到的信號低得多的塵埃偏振。」

這兩項地基實驗在單個微波頻率上收集數據，使得難以把來自銀河系的輻射從宇宙微波背景中分離出來。

另一方面，普朗克在9個微波和亞毫米頻率通道上觀測天空，其中7個也配備了對偏振敏感的探測器。通過仔細分析，這些多頻率數據能夠被用來分離各種貢獻。

這幅影像顯示普朗克在首個15個半月觀測期間在9個頻率上記錄的全天圖。這些是藉助普朗克上搭載的兩台儀器收集到的，一台是低頻儀（LFI），探測30-70GHz之間的頻帶，另一台是高頻儀（HFI），探測100-857GHz之間的頻帶。影像提供：ESA and the Planck Collaboration

BICEP2團隊選擇了一片他們認為塵埃輻射會很低的天區，因此他們把信號解釋為很可能是宇宙學意義上的。

然而，當普朗克繪製的銀河系塵埃的偏振輻射圖一經公布，很顯然這種前景貢獻可能比以前預期的高得多。

事實上，在2014年9月，普朗克首次揭示，來自塵埃的偏振輻射在全天都很大，和BICEP2團隊在最乾淨天區探測到的信號強度相當。

合作帶來機遇

因此，普朗克和BICEP2團隊合作，綜合衛星的能力並藉助在數個頻率上的觀測來處理前景輻射，包括那些塵埃輻射最強的頻率，由於最近改進的技術，地基實驗在有限天區內具有更強的靈敏度。目前，也獲取了從2012年到2013年的凱克陣列的全部數據。

「這項合作表明，一旦去掉來自銀河系塵埃的輻射，原初B模式的探測不再強大，」普基說，他是普朗克上的HFI的首席研究員，他來自法國空間天體物理學院。「因此，不幸的是，我們不能夠確認該信號是宇宙暴脹的印記。」

雖然沒有看到可能是宇宙暴脹的信號，但卻看到了由引力透鏡帶來的偏振信號，同樣也很有趣。

B模式偏振的另一個源，追溯到早期宇宙，在這項研究中被探測到，但在天空中小得多的尺度上。

這個信號首次在2013年被發現，不是對暴脹階段的直接探測，而是由充斥在宇宙中的宇宙大質量結構網誘導產生的，它改變CMB光子前往地球的路徑。

這幅示意圖顯示，宇宙微波背景（CMB）中的光子在穿越宇宙時被大質量宇宙結構的引力透鏡效應所折射。藉助來自歐空局的普朗克衛星的數據，宇宙學家已經能夠首次在全天測量CMB的這種引力透鏡。影像提供：ESA and the Planck Collaboration

這種效應被稱為「引力透鏡」，因為它由彎曲周圍空間的大質量天體造成，因此好像一個放大鏡那樣折射光線的路徑。藉助普朗克、BICEP2和凱克陣列共同對這個信號的探測是迄今最強的。

至於暴脹階段的信號，問題仍然有待解決。革命尚未勝利，同志仍需繼續努力！

「因為我們在目前最好的CMB偏振觀測中沒有發現來自原初引力波的信號的強大證據，這絕不是就排除掉了暴脹，」曼多雷斯說，他是普朗克上LFI儀器的首席研究員，他來自義大利的費拉拉大學。

事實上，這項聯合研究為來自暴脹的引力波的數量加上了一個上限，可能在當時產生但強度水平太低，不足以被現在的分析確認。

「這個分析顯示，引力波的數量可能比觀測信號的約一半要小，」普萊克說，他是ＢＩＣＥＰ２的首席研究員，來自美國的明尼蘇達大學。

「由引力波造成的加給信號的這個最新上限和我們較早前藉助普朗克獲得的上限相符，」克里爾說，他是普朗克和BICEP2團隊的成員，來自美國的噴氣推進實驗室。「這個引力波信號可能仍然在那裡，對它的尋找肯定將繼續。」

原文標題：Primordial gravitational waves remain elusive

作者：ESA press release 原文來自：Astronomy Now

Posted: 2015.1.31