宇宙微波背景輻射中發現引力波:暴漲論接近證實

06-21

科學家們相信南極望遠鏡發現了宇宙微波背景輻射(CMB)中的光線細微彎曲現象，這被稱作「B模極化」。儘管這一現象完全在預料之內，但實際探測到它仍被視為是一個里程碑。

新浪科技訊北京時間7月30日消息，據《物理世界》網站報道，近日南極望遠鏡(SPT)在宇宙微波背景輻射(CMB)中探查到光線的細微彎曲，這被稱作「B模極化」。這一現象在科學界預言已久，此次對其存在的證實，將為最終對大爆炸宇宙學中的一項關鍵理論，即暴漲理論進行驗證鋪平道路。

查克·本內特(Chuck Bennett)是美國約翰·霍普金斯大學宇宙微波背景輻射觀測觀測方面的頂級專家，但他本人並未參與這項研究。他說：「儘管這一現象完全在預料之內，但實際探測到它仍然應被視為是利用宇宙微波背景輻射進行宇宙學研究的一個里程碑。這是一項可靠的研究，我相信它得到的結果。」

宇宙微波背景輻射有時也會被稱作是大爆炸的餘暉，它是在宇宙誕生後大約38萬年，當宇宙中第一批原子開始形成，空間第一次開始變得透明時產生的宇宙第一道光芒。簡單來說，這一輻射背景波長在微米區段，溫度大約為3K，其中隱含著將幫助我們了解極早期宇宙謎團的信息。對於宇宙微波背景輻射，其中最引人注目的一項特徵是其各處存在的大約100 μK範圍內的溫度差異，這顯示在極早期宇宙中存在密度差異，這種差異正是如今宇宙中能夠形成星系和恆星的基礎。

自1965年被發現起，CMB就為宇宙學家證明了大量信息。1992年，美國宇航局（NASA）宇宙背景探測器（COBE）測量了輻射光譜，並發現它具有科學家所期待的特點。COBE還探測到CMB溫度的10萬種變化中的一部分，揭示了很多宇宙信息。2003年，NASA的威金森微波非等向性探測器（WMAP）和其他實驗對這些變化進行了統計研究，發現其與一個模型相吻合。在該模型中，宇宙包含5%的普通物質、24%的暗物質，以及71%的暗能量。今年早些時候，歐洲航天局（ESA）的普朗克太空探測器有力地證實了該標準宇宙模型。

科學家懷疑，CMB可能還隱藏著更多的信息。根據標準物理學，溫度變化反映了新生宇宙的微小量子波動。宇宙在最初的比光速還要快的膨脹中，反覆加倍增長至原大小的60倍，這些量子波動也擴大至巨大的規模。暗物質和普通物質在受到引力作用後，也進入到波動中，成為星系的雛形。宇宙膨脹也可能在CMD中留下了印記。

CMB中的微波可以像湖面反射光一樣發生偏振。在一片天空中，隨機的偏振模式可以被分為兩個有所重疊的部分：B-模式——偏振形成右旋或者左旋，以及不能形成左旋或右旋的E-模式。早期宇宙中物質聚合只能形成E-模式，而宇宙膨脹期間的引力波可以產生B-模式。那些「最初的」B-模式強度可以揭示宇宙在膨脹期間的能量強度，並解釋宇宙膨脹是如何發生的。

　散射引發的極化

然而，宇宙微波背景輻射並不僅僅是在溫度上存在漲落，這一輻射受到極早期宇宙中原子的散射後抵達我們的觀測設備，這就像是晴天太陽光線中的藍光在空氣中被大氣分子散射之後抵達我們的眼睛一樣。為了檢驗這種說法，你可以帶上一副偏振鏡片眼鏡來進行觀察，一樣的道理，科學家們也會使用類似的方法對宇宙微波背景輻射進行觀察。2002年，設在南極洲的DASI干涉儀首次檢測到宇宙微波背景輻射中的極化現象，這一發現幫助宇宙學家們加深對早期宇宙動力學的了解。

這種極化被稱作E模，其描述的是CMB中各個不同方向上的極化強度。但除此之外還有更加微妙的B模，其描述的是CMB極化的旋轉或彎曲。B模中的大部分效應是由星系形成的引力透鏡效應產生的，將具有E-模特徵的光線在其將近140億年的旅途中，在其從宇宙的另一邊抵達我們這裡時進行了「彎曲」。這種彎曲程度極其微小，其變化幅度不超過0.4 μK，相當於CMB溫度分布下的1/1000萬。正如加拿大麥吉爾大學的南極望遠鏡項目組成員杜坎·漢森(Duncan Hanson)所表示的那樣：「B模的測量非常困難。」

南極望遠鏡之所以能探測到B模極化，很大程度上要歸功於其探測設備的改進。儘管這項探測結果的應用範圍可能很小，但它將打開實驗宇宙學的大門。一旦取得解析度更高的數據，B模信號將幫助宇宙學家們給出中微子質量的更嚴格限制，而這是宇宙學標準模型所無法給出的。

　宇宙漣漪

然而這項發現將可能帶來的最大獎賞便是使用B模信號來揭示原始引力波的存在，即一種存在於宇宙時空之中的巨大漣漪。科學家們認為這種漣漪產生於暴漲過程之中，暴漲理論最早是由美國物理學家阿蘭·古斯(Alan Guth)提出來的。這是宇宙誕生之初經歷的一次急劇膨脹的過程，在這一過程中產生了今天所見的宇宙大尺度結構。

儘管當代的絕大部分宇宙學家都相信暴漲理論，這項理論卻缺乏一些重要的細節，如它是如何發生的，又是如何結束的，並且我們沒有任何手段可以去測試其真偽。而如果能探測到極早期宇宙中的原始引力波，那麼這將是暴漲過程存在的確鑿證據。

美國賓夕法尼亞州匹茲堡大學宇宙學家阿瑟·科索斯基(Arthur Kosowsky)表示：「能夠在引力波中探測到B模的可能性已經值得投入大量精力開展實驗。」他說：「南極望遠鏡是第一台探測到B模的設備，目前正有另外幾台設備正準備跟進觀測，在未來十年內我們將最終構建一個完整的圖景，而現在正是我們朝向這個目標邁出的第一步。」

　其它望遠鏡設備

引力波B模可以被歐洲空間局正運行於地球軌道上的普朗克衛星觀測到，另外還有坐落在南極望遠鏡旁側的另一台望遠鏡BICEP，以及坐落於智利北部的ACT望遠鏡以及POLARBEAR望遠鏡。如果這些地基望遠鏡中有一台最終證明這一發現，那麼這將是繼宇宙微波背景輻射之後又一次由地基望遠鏡做出的重大宇宙學實驗發現。1964年，美國天文學家阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾森(Robert Wilson)使用一台地面射電望遠鏡首次發現宇宙微波背景輻射。

美國芝加哥大學南極望遠鏡項目首席科學家約翰·卡爾斯托姆(John Carlstrom)說：「很多進展都來自太空，因此有時候我們甚至都很容易忘掉地面上的望遠鏡。然而實際上，地面望遠鏡，包括氣球以及短期飛行航空器都是開展實驗項目極重要的手段，一直以來都起到了非常關鍵的作用，現在的情況依然如此。」(晨風)