微波可解宇宙之大？美擬投4億美元驗證大爆炸理論|宇宙|大爆炸|引力波

　　原標題：微波或可解說宇宙之大 提供宇宙早期重要信息

　　據《自然》雜誌官網近日報道，美國研究人員近日草擬了一份新的實驗計劃，擬建造全新設施來研究宇宙大爆炸的微弱餘光——宇宙微波背景輻射，從而驗證早期宇宙在嬰兒期是否經歷過短時間的暴漲——也就是所謂的「暴漲理論」。

　　這項名叫「宇宙微波背景4階段實驗（CMB-S4）」的新計劃，由美國能源部和美國科學基金會指派的專家團草擬。根據初步設計方案，新設備由位於南極和智利兩地的3個6米口徑望遠鏡和14個0.5米口徑望遠鏡組成，建成後靈敏度將是現有地面宇宙微波背景輻射實驗的100倍。

　　如此靈敏的觀測設備，成本當然不容小覷。據專家團透露，整個建造成本將耗資4億美元以上，比3年前的預期增加了一倍，是現有實驗設備所用成本的30倍。美國科學基金會銀河系外天文學和宇宙學項目主管理查德·巴文尼斯表示，4億美元雖然不是什麼天文數字，但會面臨其他大型項目的競爭，能否如願還未可知。

　　微波背景輻射

　　提供宇宙早期重要信息

　　作為現代宇宙學最有影響的學說之一，「大爆炸理論」認為，宇宙在非常年幼時，曾有一段由熱到冷的演化史，期間宇宙不斷膨脹，物質密度從密向稀，就像經歷了一次巨大爆炸。多年來，科學家一直在通過各種觀測手段，對這一理論進行驗證，觀測宇宙微波背景輻射是其中的重要手段，其能夠提供宇宙初期的各種信息。

　　探尋宇宙微波背景輻射，能讓人了解大爆炸後，年幼的宇宙38萬歲時的「樣子」。1964年，美國貝爾電話公司的兩位工程師在調適巨型喇叭形天線時，意外接收到一種無線電干擾噪音，且其在各個方向上的信號強度一致，這種強度歷時幾個月都沒有改變。從此以後，通過地面、氣球和空中不同設備，科學家都觀測到了此類背景輻射的存在，由此獲得了關於宇宙的形狀、組成和年齡（大約140億年）的精確信息。

　　原初引力波

　　宇宙暴漲理論最強證據

　　但物理學家認為，宇宙微波背景輻射能提供更多信息。微波背景輻射是由瀰漫在宇宙空間中的微波背景光子構成，計算表明，原初引力波能與微波背景光子作用，產生一種叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動作用都產生不了這種偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的「獨特印記」，觀測到B模式偏振就意味著觀測到原初引力波。

　　CMB-S4專家團主席、美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室航天物理學家查理·勞倫斯認為，雖然人類已經在2015年首次捕捉到引力波，但這些引力波只是黑洞碰撞形成的時空漣漪，而探測到最早期宇宙的原初引力波，將成為另一個巨大突破，為宇宙暴漲理論提供最強有力證據。

　　新建望遠鏡

　　設計靈敏度提高100倍

　　現有地面CMB實驗的望遠鏡只有幾千像素，主要位於南極或智利沙漠地帶，乾旱條件讓大氣更加透明，有利於觀測微波背景輻射。但是現有實驗至今還沒有捕捉到傳說中的B偏振模式，2014年有美國科學家宣稱觀測到B偏振模式，但後來證實其只是星際塵埃發出的閃光。

　　目前正在建造中的幾個實驗項目，靈敏度也只提高不到10倍。勞倫斯表示，為探測原初引力波，觀測設施的靈敏度必須獲得指數級提高，因此他們計劃將CMB-S4的靈敏度設計成40萬像素，是現有設施的100多倍。「利用這麼靈敏的設施，到時還一無所獲的話，或許該考慮放棄宇宙暴漲理論了。」

　　項目需評估

　　或許要等10年之久

　　因CMB-S4項目太大，任何一個研究團隊都難以單獨承擔。2013年美國研究人員開始尋求全國性合作，2014年出台的初步方案獲得美國能源部通過，但必須等到2020年美國科學基金會十年一次的天文學項目評估後才有結果。

　　巴文尼斯表示，在10年一次的項目評估中，CMB-S4面臨美國國家射頻天文台甚大陣列望遠鏡升級以及其他大型光學望遠鏡的競爭。即使到時勝出，美國科學基金會還會開展進一步評估，這或許會使項目延遲到2026年才能實施。

　　專家團建議，讓能源部負責對現有望遠鏡進行擴建安裝，美國科學基金會只出資觀測實驗的花費，這樣可提前啟動項目。但能源部高能物理學副主任詹姆斯·西格里斯特卻對此潑了冷水，他認為現在白宮與國會對科研預算存在巨大分歧，給相關撥款帶來「許多不確定性」，CMB-S4項目推遲到2027或2028年「很有可能」。

　　如果這樣，美國要想觀測到原初引力波，或許還要再等10年。

責任編輯：霍宇昂