去南極點見證宇宙創生的那一瞬間

（文/ Govert Schilling）這是地球上最大的望遠鏡之一，但相對於南極廣袤的地貌而言，它看起來仍然小到毫不起眼。在這個令人眼花繚亂的白色冰雪世界裡，12月的太陽永不下落，很難判斷距離。只有當我們的小履帶車停在它旁邊時，南極望遠鏡口徑10米的天線才會顯得如此巨大。

南極望遠鏡，口徑10米，位於南極點附近，在這片最人跡罕至的冰雪荒原上，尋找宇宙誕生最初的印跡。圖片來源：uchicago.edu

沒有人會想從距離這裡僅有幾百米之遙的美國阿蒙森－斯科特南極站步行到此。儘管在南極站的科考隊員看來，接近-40℃的寒風已經算是溫和了，但當我脫掉手套抓拍一些照片時，我的手指很快就麻木了。雖然我戴著護目鏡，覆蓋了我的半張臉，但被風吹出的眼淚依然凍結在了我的眼皮上。

美國芝加哥大學的資深科學家布拉德·本森（Brad Benson），似乎並不在意世界「底端」這片貧瘠之地的極寒和偏僻。畢竟，科考站里有音樂室、酒吧，甚至桑拿浴室——那裡或許是南極大陸上最熱的地方。不過，本森的熱情主要源於他的工作。他和同事都熱衷於追尋宇宙學的一場革命性突破。使用一年前安裝到這台望遠鏡上的靈敏照相機，他們希望能找到宇宙誕生後最初萬億萬億萬億分之一秒的線索。如果需要為此付出一些代價，那便是來到南極。「南極是地球上最適合做這方面研究的地方，」本森邊擦著他鬍子上的冰晶邊說。

新生的宇宙，密度和溫度高到令人難以置信，並且充滿了高能輻射。隨著宇宙的膨脹和冷卻，這些輻射的能量會被稀釋，波長會被拉長；到了近140億年後的今天，除了無所不在的微波輻射以外，什麼也沒有留下。對宇宙學家來說，研究這一宇宙微波背景輻射（CMB），通常又被稱為「創世餘輝」，是破譯宇宙嬰兒時期和後續演化的最佳途徑。比如說，宇宙微波背景中溫度的細微差異就能揭示存在於原初物質中的密度漲落，這種溫度差異是在20世紀90年代由空間探測任務率先發現的。正是這些細微的密度分布不均勻性，才演化出了今天我們在宇宙中看到的星系團和巨洞。

南極望遠鏡建於6年前，旨在詳細地研究宇宙微波背景。然而，雖然南極望遠鏡和其他設備對宇宙微波背景的觀測可以給我們提供一幅宇宙在大爆炸後僅38萬年時的動人畫卷，但它們無法進一步向前回溯。在更早的時候，空間中充滿了由熾熱帶電粒子組成的等離子體，它們會不斷地吸收光子，然後再發射出來，這意味著光根本無法逃逸。只有當溫度最終下降到足夠低，這些粒子可以結合成中性原子時，輻射才能自由的在宇宙中穿行。因此，我們可以獲得一張宇宙變得透明時的嬰兒照片，卻沒能捕捉到它誕生的瞬間。

這太可惜了，本森說，因為理論告訴我們，那些令人興奮的事情都發生在最初的這些稍縱即逝的瞬間。根據宇宙暴脹假說，在具有負壓的神秘真空能的驅使下，宇宙在年齡只有約10^-36秒時，開始指數式膨脹。在遠遠不足1秒的時間裡，可觀測宇宙從不到一個原子大，膨脹到了一個柚子那麼大。幸運的是，暴脹在宇宙年齡為10^-33秒時戛然而止，轉而進入更平和的膨脹模式，令星系、恆星和行星得以在之後形成。

暴脹是一個流行的觀點，得到了量子物理學的支持，並在一定程度上得到了一些空間探測任務的佐證，比如歐洲空間局的普朗克探測器和美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器。暴脹可以解決宇宙學中許多惱人的問題。例如，它可以解釋早期宇宙中密度的起伏，就是微觀量子漲落被「放大」了。它甚至有可能與今天推動宇宙加速膨脹的奇特暗能量有關。

穿透黑暗

即便如此，我們對暴脹的物理本質的認識仍少得可憐。儘管已經提出許多不同的模型，天文學家甚至還無法完全確定究竟發生了什麼。無法從頭到尾回溯暴脹階段的全過程，想要甄別哪個模型是正確的，似乎不可能做到。

但是，或許還有一個方法。過去十年來，宇宙學家開始意識到，暴脹的突然停止必定會產生時空漣漪，也就是引力波。愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。與輻射不同，這些原初引力波可以穿行於高溫的早期宇宙中，因此它們頻率和功率可以告訴我們，暴脹停止時宇宙處於什麼樣的狀態。

現有的引力波探測裝置，比如位於美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的那兩台一模一樣的激光干涉引力波天文台，無法檢測到太過微弱的原初引力波，它們建造出來是為了尋找兩個黑洞或中子星碰撞所發出的引力波。然而，原初引力波應該會在宇宙微波背景中留下印跡。探測並了解這一印跡，也許能讓我們鑒別不同的暴脹模型。

這也正是本森對他團隊的新相機——南極望遠鏡偏振計（SPTpol）會如此興奮的原因。它被設計用來精細地測量宇宙微波背景輻射中的偏振。就像陽光經湖面或路面反射後會發生偏振一樣，宇宙微波背景輻射在宇宙中穿行時也會因為被電子散射而出現偏振。根據理論預言，引力波會略微改變這一偏振的模式。當這些漣漪在時空中傳播時，它們會以一種獨特的方式使得電子發生位移，從而在宇宙微波背景中留下它們的印跡。

宇宙暴脹會有微波背景輻射的圖案中留下獨特的偏振模式。圖片來源：《新科學家》。

探測這一印跡將會很艱難——有點像在搖滾音樂會場上尋找一隻蟋蟀的鳴叫。原初引力波產生的微弱偏振信號，會淹沒在早期宇宙中相對來說強得多的密度漲落中。後者最初是在2002年由同在南極的角尺度干涉儀（Degree Angular Scale Interferometer）發現。本森說，沒有人知道探測由引力波造成偏振模式會有多困難。「這是一個微妙的效應，」南極望遠鏡首席研究員約翰·卡爾斯特羅姆（John Carlstrom）說。引力波偏振迄今為止的最佳上限，就是由南極的另一台設備——宇宙河外偏振背景成像實驗裝置在2006年和2007年獲得的。

乾燥高地

為什麼這麼多的宇宙微波背景望遠鏡都選擇建在地球上這個最偏遠和最荒涼的地方呢？為了觀察宇宙微波輻射，你需要高海拔和乾燥的空氣。大氣中的水蒸氣會吸收微波——同樣的原理讓你可以用微波爐來加熱一杯水。於是，你不可能在海平面上觀測到宇宙微波背景，因為你望遠鏡上方的大氣中飽含了水。即便在高山之巔，你也需要真正乾燥的空氣。南極點的海拔高度為2830米，空氣極度乾燥，對每一位到訪者而言，這一點都顯而易見。有時，我會覺得呼吸困難，爬樓梯都有點費勁。一天下來，我的嘴唇感覺就像羊皮紙。

其實這也不算什麼。微波背景各向異性陣列（AMiBA）位於美國夏威夷冒納羅亞火山的斜坡上，海拔約3,400米。智利的阿塔卡馬沙漠，條件也特別好——至少對望遠鏡而言如此。2012年以來，旨在測量宇宙微波背景偏振的「北極熊」（Polarbear）實驗裝置已經安營在海拔5200米的托哥山頂附近。2013年底，附近阿塔卡馬宇宙學望遠鏡上的偏振計相機（ACTPol）也會加入這一行列。美國康奈爾大學的邁克·尼馬克（Mike Niemack）說，它們將對宇宙微波背景的偏振進行最靈敏的測量。尼馬克曾經幫助研發了南極望遠鏡和阿塔卡馬望遠鏡上的這些探測器，現在則為阿塔卡馬團隊工作。

尼馬克說，這兩個團隊之間的競爭是激烈的，但也是友好的。他們不會止步於目前這一代偏振計。南極望遠鏡偏振計相機團隊已經在製造一台新的更先進的偏振計，靈敏度將是其前身的10倍。同時，尼馬克及其同事也正在為阿塔卡馬宇宙學望遠鏡設計一個更先進的偏振計相機。在追蹤暴脹難以捉摸的偏振印跡方面，靈敏度、角解析度、頻段覆蓋和天區覆蓋全都發揮著作用。美國普林斯頓大學的戴維·斯珀格爾（David Spergel）說：「我們還不知道這個信號的強度。這在摸索中探索科學。」

由於事關如此重大，許多團隊都在追尋這同一個寶藏。比如「普朗克」任務，自2009年探測器發射升空以來，就一直在以前所未有的精細程度勘測宇宙微波背景。2013年3月，「普朗克」團隊公布了有史以來最精細的宇宙微波背景全天分布圖。他們目前仍在分析偏振計測量的結果。歐洲空間研究和技術中心的「普朗克」項目科學家揚·陶博（Jan Tauber）說：「我們計劃在大約1年後公布第一批偏振數據。」他希望「普朗克」能率先探測到由暴脹引力波產生的偏振信號。

「普朗克」任務公布的宇宙微波背景全天分布圖，揭示了大爆炸後38萬年宇宙中密度分布的細微不均勻性。宇宙暴漲產生的偏振模式，或許已經被探測到了，但還有待科學家分析其中的數據。圖片來源：space.com

但「普朗克」的探測器並不比地面上的設備更靈敏，並且沒有能力觀測最小尺度的特徵。這就給其他宇宙微波背景偏振實驗留下了挑頭的機會。而且，這樣的實驗裝置有很多。

幾個實驗裝置正在高海拔地區運轉。其他裝置近來則藉由氣球高高地飛翔在南極、澳大利亞和美國新墨西哥州的上空。比如，BICEP-2裝置從2009年起就在南極點的一架小望遠鏡上開始工作，EBEX探測器則在2013年1月完成了在南極上空為期25天的氣球飛行。

還有更多的實驗正在計劃之中。斯珀格爾說：「可以肯定的是，未來幾年裡會出現很多的進展。」他相信，通過CMB偏振證實宇宙暴脹，將會獲得諾貝爾物理學獎。

而且誰知道呢，或許這些測量數據已經被採集到了——如果不是SPTPol或者「普朗克」，就是BICEP-2或EBEX。「我們計劃在今年公布初步結果，」BICEP-2團隊成員傑米·博克（Jamie Bock）說，「但我們仍在分析3年來獲得的更強有力的數據。」這些分析涉及到校準，也就是了解儀器如何處理信號和雜訊，並對系統誤差進行調查。「這並非易事，」博克說，「你必須對每一個細節都謹小慎微。」

博克聲稱BICEP-2的靈敏度已經達到了「有趣的水平」。但對於他們團隊有沒有發現任何暴脹的跡象，他不願意表態：「我不能說，就算我可以，也不能告訴你。」

目前，這個領域是敞開的。「我們不知道原初引力波會在什麼程度上導致CMB偏振，」領導EBEX團隊的紹爾·哈納尼（Shaul Hanany）說，「所以我們也不知道誰會第一個探測到這個信號。不過或許兩年之內就會有結果。」在飛行過程中，EBEX調節1.5米望遠鏡指向的一台電機出現故障，但這對最終結果的影響還有待確定。

看到像本森這樣的科學家離開他們舒適的家，到世界的「底端」過上好幾個月的簡樸生活，你就能夠意識到他們追尋暴脹確鑿證據的決心到底有多麼堅定。但是，這並不一定就會成功。卡爾斯特羅姆說，如果原初引力波不夠強，能夠透露暴脹信息的偏振模式「或許永遠都不會被發現」。這並不是說暴脹沒有發生過，他補充說，「基於偏振測量，你永遠無法否定暴脹。」

宇宙學家並沒有因為這樣一種前景就心灰意冷。即使在某個水平上什麼都沒有看到，也能讓他們排除一大類不同的暴脹模型。用斯珀格爾的話來說，「這就是進步。」

編譯自：《新科學家》，South Pole scopes: Witnessing the universe"s birth