宇宙微波背景輻射中發(fā)現(xiàn)引力波：暴漲論接近證實

晨 風

據(jù)《物理世界》網(wǎng)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(xiàn)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(nèi)特（Chuck Bennett）是美國約翰·霍普金斯大學宇宙微波背景輻射觀測方面的頂級專家，但他本人并未參與這項研究。他說：“盡管這一現(xiàn)象完全在預料之內(nèi)，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余暉，它是在宇宙誕生后大約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(chǎn)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(qū)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。對于宇宙微波背景輻射，其中最引人注目的一項特征是其各處存在的大約100 μK范圍內(nèi)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恒星的基礎。

散射引發(fā)的極化

然而，宇宙微波背景輻射并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后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后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(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的，將具有E-模特征的光線在其將近140億年的旅途中，在其從宇宙的另一邊抵達我們這里時進行了“彎曲”。這種彎曲程度極其微小，其變化幅度不超過 0.4 μK，相當于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?！?/p>

南極望遠鏡之所以能探測到B模極化，很大程度上要歸功于其探測設備的改進。盡管這項探測結果的應用范圍可能很小，但它將打開實驗宇宙學的大門。一旦取得分辨率更高的數(shù)據(jù)，B模信號將幫助宇宙學家們給出中微子質(zhì)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(fā)現(xiàn)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，即一種存在于宇宙時空之中的巨大漣漪。科學家們認為這種漣漪產(chǎn)生于暴漲過程之中，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(jīng)歷的一次急劇膨脹的過程，在這一過程中產(chǎn)生了今天所見的宇宙大尺度結構。

盡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(jié)，如它是如何發(fā)生的，又是如何結束的，并且我們沒有任何手段可以去測試其真?zhèn)巍６绻芴綔y到極早期宇宙中的原始引力波，那么這將是暴漲過程存在的確鑿證據(jù)。

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(jīng)值得投入大量精力開展實驗。”他說：“南極望遠鏡是第一臺探測到B模的設備，目前正有另外幾臺設備正準備跟進觀測，在未來十年內(nèi)我們將最終構建一個完整的圖景，而現(xiàn)在正是我們朝向這個目標邁出的第一步?！?/p>

其他望遠鏡設備

引力波B模可以被歐洲空間局正運行于地球軌道上的普朗克衛(wèi)星觀測到，另外還有坐落在南極望遠鏡旁側的另一臺望遠鏡BICEP，以及坐落于智利北部的ACT望遠鏡和POLARBEAR望遠鏡。如果這些地基望遠鏡中有一臺最終證明這一發(fā)現(xiàn)，那么這將是繼宇宙微波背景輻射之后又一次由地基望遠鏡做出的重大宇宙學實驗發(fā)現(xiàn)。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）使用一臺地面射電望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在的情況依然如此?！?/p>