宇宙暴漲的第一條直接證據

06-14

原文標題：First Direct Evidence of Big Bang Inflation

作者：Camille Carlisle 原文來自：SkyandTelescope.com Posted: 2014. 3. 17

研究者利用南極點的一項實驗發現了長期為人追求的暴漲「鐵證」。

參與BICEP2實驗的研究者宣布，他們探測到了暴漲（暴漲是讓大爆炸「爆炸」的指數膨脹期）的特徵指紋，讓全球的宇宙學家議論紛紛。

暮光中的 BICEP2望遠鏡，圖中的景象每年只會在南極點出現兩次。背景中可見MAPO觀測站（凱克陣列望遠鏡的所在地）以及南極點研究站。（圖片版權：Steffen Richter / BICEP Collaboration）

全球大約有10個研究小組在積極搜索這一信號，也就是原初B模。不過我必須要承認的是，在聖帕特里克節（譯註：愛爾蘭的保護聖人聖帕特里克的紀念日，即3月17日）清早可能出現的新聞中，我最關注的並不是偏振信號的發現。幾個月前，兩個小組確實在搜索工作中取得了重要的里程碑進展，他們發現了另一個可能會污染原初數據的信號。不過我根據今年1月在美國天文學會會議期間公布的成果估計，天文學家至少要等上一年才能公布今天的這樣一個發現。

很高興我錯了。

B模是一種特定的偏振模式。在某一波長的偏振光穿過宇宙的時候，它的振動方向相對傳播方向成某一特定夾角。如果暴漲確實發生過，它會向時空發送引力波漣漪。引力波會在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下B模偏振。

引力波在傳播過程中，通過拉伸擠壓空間（進而是原初光子和電子組成的等離子體湯）在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下了偏振信號。（A）在引力波從後方抵達之前，以一個電子為中心的空間截面看起來是正常的。但當引力波抵達後，截面會在一個方向上拉伸擠壓，然後另一個方向上發生類似情形，如此反覆振動。（B）與均勻等離子體不同，電子「看到」了周圍被擠壓的方向上宇宙溫度略高，而拉伸的方向溫度略低。（C）起先光子在所有垂直於傳播路徑的方向上振動著。（見D與E中入射方向的十字標記）當光子散射電子後，它們就出現了偏振特性，只在一個方向上擺動（見出射方向上的直線標記）。最終得到的結果（F）是低溫與高溫光子偏振的總和。不過由於高溫區域的光子能量更高，它們的偏振特性「勝出」了，也就是說總的偏振是與熱區平行的（G）。（圖片提供：S&T: Leah Tiscione）

還有另一種機制可以在CMB中形成B模。當宇宙大尺度結構的引力場充當了CMB的透鏡時，會讓CMB的偏振特性發生扭曲。不過透鏡化的 B模存在的角尺度只是原初的十分之一。在進行大量仔細的分析後，研究者可以將其排除。

原初B模的發現是由宇宙河外偏振背景成象（BICEP）第二輪實驗得出的。它是在南天空洞觀測CMB的計劃之一，這片天區在南極可以觀測到，從這裡可以直接窺視銀河系之外，一睹宇宙深空（參見下方的星圖）。

當前有多項試圖捕獲暴漲偏振信號的計劃。圖中標出了截至2013年秋季仍在進行中的計劃觀測的天區（觀測全天的普朗克探測器除外）。各個計劃的視場只是近似情況，且在高赤緯區域由於投影效應有所扭曲。大圖請點擊（圖片提供：S&T / Gregg Dinderman）

BICEP2望遠鏡口徑不到30厘米（12英寸），不過它也不需要做得很大。它被冷卻到了4開爾文，每周7天、每天24小時地觀測一片20度的天區，探測CMB微弱的微波信號，實際上探測的是CMB的偏振情況。

BICEP2小組仔細分析了3年觀測數據中的偏振測量情況。他們還將數據與BICEP1以及小組新建的凱克陣列（實際上就好像是5台安置在一起的 BICEP2）的觀測作了比較。小組最終作出發現的秘訣正是將3組數據結合在一起的能力。

在一年的緊張工作（包括將超過12種其他可能的解釋排除），小組確信他們在天空中大約2度的角尺度上看到了暴漲的信號。用統計的語言來說，他們的數據優於5 sigma，這是讓物理學家接受新發現的黃金準則。

數據分析的帶頭人、明尼蘇達大學的克萊姆·普賴克（Clem Pryke）說：「我們確信信號是來自天空的，而且是來自微波背景輻射的」

出席技術發布的其他研究者也被說服了。會暴漲理論的共同提出者、麻省理工學院的艾倫·古思（Alan Guth）說：「這看起來與我先前所見的任何結果一樣可靠。」他和其他人（包括小組本身）都希望其他小組能證實這一發現，不過信號確實看起來是來自暴漲的。

麻省理工學院的引力波物理學家斯科特·休斯（Scott Hughes）笑盈盈地說：「我非常興奮。它們當然就是宇宙學以及暴漲的線索。對於科學家來說，它太精彩了。」

那又如何？

直到最近，天文學家還只有一種線索來研究暴漲是否發生過，它利用的是CMB溫度變化的斑駁分布。對這種分布的研究（尤其是ESA的普朗克衛星所進行的）支持最簡單的暴漲模型。

不過手頭有了B模測量情況就完全不一樣了。約翰·霍普金斯大學的馬克·卡米奧科夫斯基（Marc Kamionkowski）說：「這不只是一次棒球全壘打，而是大滿貫。這是暴漲的鐵證。」卡米奧科夫斯基是最先提出也許可以在CMB中探測暴漲導致的 B模的理論家之一。

B模攜帶了暴漲發生時引力波尺度以及暴漲所涉及能量的特定信息。因此實際探測這一信號就限定了理論的範圍——而且不是限定了一星半點，卡米奧科夫斯基和古思強調說。

欣喜的理論元勛。在參與周一宣布會的眾多名人中，有暴漲理論的元勛艾倫·古思（左）以及安德烈·林德（Andrei Linde）。林德說：「能在我的有生之年看到這一理論得到證實實在是太妙了。我一定要乘飛機飛來這裡。」點擊觀看林德得知這一消息時的反應（圖片提供：S&T: Camille Carlisle）

卡米奧科夫斯基說，根據BICEP2的結果，看起來暴漲是在大爆炸後大約0.5 × 10^-37發生的，不過他提醒說，這是他在一片紙頭上快速估算的結果。

這一測量還說明，暴漲可能與自然界四種基本作用力中三種（強力、弱力、電磁力）的統一有關。根據古思的觀點，BICEP2數據給出的能量是2 × 10¹⁶ GeV，這大致相當於大型強子對撞機能量的一萬億倍，與大統一理論（GUT）的能量相符。GUT是物理學家在20世紀70年代玩弄出的東西，而BICEP2的結果是他們數十年來追尋的缺失環節。

數據還告訴了我們引力波的尺度。這一信息是來自引力波（它是一類密度擾動）與普通CMB密度起伏之間的比例的。技術上說，這一數字叫做張量標量比，其中引力波是張量，而「常規」密度起伏是標量。

卡米奧科夫斯基說，BICEP小組得出的比例是0.2左右，這意味著引力波是「相當大」的。（對不起，我並不清楚嚴格的數值。）普朗克小組用他們的數據給出的上限是0.11，不過普賴克說，雖然這與他的小組的結果有點衝突，但二者的差異並不是太值得擔心的事情。舉例來說，它可以通過對標準宇宙學模型的簡單擴展來解決。現在他們還不清楚。

這一結果並沒有告訴我們是什麼誘發了暴漲，只是說暴漲發生過了。而且它也沒有回答暴漲是否永遠發生，並引發無窮多的系列大爆炸，產生隱藏宇宙這個問題。後一種宇宙學圖景通常被稱為多重宇宙。（搜索多重宇宙線索的深度探討可以參見我在2012年12月《天空和望遠鏡》雜誌上撰寫的文章。）不過古思指出，很難調節暴漲過程讓隱藏宇宙無法形成。

宇宙微波背景輻射中「捲曲」的 B模偏振。每條線表示天空中某點的偏振測量。當扣除了較強的 E模偏振後，剩下的情形就如上圖所示。其中幾乎所有的特徵都是大爆炸後一瞬間量子引力混沌的信號。這是一張真實的天空圖，高約15度，覆蓋南天的鳳凰座和獨居座。最強烈的捲曲信號（用顏色標出）寬2度，大約與手指伸到一臂之外覆蓋的天區相當。（圖片提供：Harvard University / BICEP2 team）

在暴漲轟動之下，人們漏掉了幾個「較小」的結果：

1、這是第一次得到了引力量子化的確切信號，也就是說，引力如光線一般，是離散的。產生了B模的引力波來自引力本身的量子起伏，隨後在暴漲的超光速膨脹期間被拉伸。塔夫茨（Tufts）大學的宇宙學家肯·奧倫姆（Ken Olum）說：「我認為這是我們現有確實說明引力量子化的唯一觀測證據。可能它也是我們可以得到的唯一證據了。」

2、這是第一次探測到了引力波對非波源物質的作用。天文學家曾觀測過彼此螺旋靠近的中子星，它們的行為與系統發射引力波的情況一致。不過他們還沒有看到過引力波對宇宙中其他物質的影響。

3、這是第一次對霍金輻射的探測。霍金輻射通常與黑洞的緩慢蒸發相關，光子從事件視界中發射而出。不過可觀測宇宙也存在一個視界，霍金輻射應該會從這個視界連帶宇宙中的各個視界中發出，換句話說，它是來自宇宙中各個地方的，麻省理工學院的宇宙學就馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）說。今天宇宙的視界非常龐大，它的霍金輻射實際上已經不重要了。不過在宇宙最初的幾分之一秒內，視界非常狹小且是高度捲曲的。今天宣布的引力波信號正是這一視界的霍金輻射。

其他小組正在艱辛工作，以證實BICEP2的結果。普朗克探測器的偏振測量結果要等到今年晚些時候才能得出，而該小組最新的消息是，這些結果不會包括對原初B模的分析。不過噴氣推進實驗室的普朗克任務科學家查爾斯·勞倫斯（Charles Lawrence）說，普朗克的全天視場可以揭示出較BICEP2角直徑更大的 B模信號，還能給出名為「再電離鼓包」的結構，後者是傳播路徑中電離物質重新排列原初B模的結果。不過現在人們並不知道普朗克是否可以從事這項工作。

同時興奮是顯而易見的。如泰格馬克所說：「我認為這是有史以來最重要的發現之一。」（了解其中原因請點擊這裡觀看他的相關博客文章。）

研究論文、數據的詳細信息、解釋、圖像以及視頻請點擊BICEP2小組的網站。

（全文完）