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早期宇宙膨胀直接证据为宇宙研究打开突破,宇

时间:2019-08-31 16:57来源:科学研究
宇宙学:大发现后的大挑战 早期宇宙膨胀直接证据为宇宙研究打开突破 很可能是实验假象?专家称 原初引力波发现结论有待普朗克正式数据验证 宇宙学家在长期探索宇宙创生时的情景

宇宙学:大发现后的大挑战 早期宇宙膨胀直接证据为宇宙研究打开突破

很可能是实验假象?专家称
原初引力波发现结论有待普朗克正式数据验证

宇宙学家在长期探索宇宙创生时的情景,而今他们已从探索走向探测,这是一个大的跃进。

消息更新:6月19日,相关的研究论文在《物理学评论快报》上发表。BICEP2团队在论文中提供了证据,表明自己观测到的B模式极化信号有可能来自宇宙诞生最初瞬间的原初引力波。但同时,他们也无法排除另外一种可能性,即这一信号部分甚至完全来自于银河系内尘埃的干扰。要想明确证实宇宙经历过暴胀,还需要未来更多的观测数据支持。

宇宙大爆炸遗留的辐射可能成为人类解开早期宇宙最大奥秘的一把钥匙,天文学家决心利用这份“大礼”,探寻更多的宇宙奥秘。

本报北京5月21日讯针对近日《科学》网站报道的“原初引力波发现很可能是实验假象”,南极BICEP1望远镜研究团队成员、美国哈佛—史密森天体物理中心科学家苏萌今天在接受《中国科学报》记者采访时回应称,BICEP2的数据分析已经结束,主要成员正集中力量处理Keck阵列数据。

自20世纪60年代发现宇宙微波背景辐射后,理论家就预言,它是宇宙历史资料的宝库。如今,人们就在向CMB找真相。最有意思的是,除了探险家以外一直受到冷落的南极洲,现在变得热闹起来。

作为这次发现原初引力波的BICEP系列望远镜研究团队的成员之一,应果壳网的邀请匆匆写下这篇随笔,希望能够帮助大家了解如何通过观测“宇宙微波背景辐射”来探测宇宙诞生之初产生的引力波信号,理解这个发现对于人类认知宇宙的深远意义。当然,顺便讲讲发现历程背后的一点点故事。天文学的研究不仅仅是满足天文学家自己的好奇心。匆忙奔波的生活,偶然间听到关于这个宇宙中发生的新奇的事情,远离尘嚣,想象一下地球之外横跨亘古的变迁,或许你会觉得是一件有趣的事情。10年来忙于各种科研工作,除了最近给《科学美国人》(Scientific American)撰写了一篇有关银河系费米气泡的英文介绍外,还从来没有认真地写过中文的科普文章。时间有限,不妥之处请大家批评指正。这段引言是成文后加上的——对,就像科学论文总是最后撰写论文摘要一样——你往往会发现,计划写的和最终写出来的,很多时候并不是一回事情。

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他透露说,Keck阵列收集数据的速度是BICEP2的5倍左右,并且已采集两年多,预期的数据质量已超过BICEP2,将对BICEP2的结果作出检验。

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2014年3月17日,哈佛-史密松天体物理研究中心的菲利普报告厅内坐无虚席,成千上万的天文学家和公众通过网络直播焦急地等待着,等待着见证观测宇宙学又一个划时代的发现。中午12点整,项目负责人之一、我曾经的博士导师约翰·科瓦克(John Kovac)开始介绍首次发现的原初引力波信号的观测结果,以及专门设计建造的核心探测装置:第二代BICEP南极望远镜。

位于南极的BICEP2望远镜 图片来源:Steffen Richter

3月18日,哈佛—史密森天体物理中心宣布,南极BICEP2望远镜首次探测到来自宇宙大爆炸的引力波证据。然而,最近理论物理学家发现BICEP数据分析存在潜在问题:银河系尘埃产生的微波前景辐射会对该结论的准确性产生影响。BICEP团队承认,其使用的是普朗克探测器团队在非正式场合提供的早期数据。

6年前,美国人在南极洲建立了———南极望远镜

新豪天地登录网址 3位于南极极点附近的第二代BICEP望远镜(右侧建筑楼顶的碗状物),捕捉到了宇宙诞生后最初瞬间留下的印迹。图片来源:Keith Vanderlinde/Handout/Reuters

约50年前,人类首次探测到了宇宙大爆炸的“晚霞”——宇宙微波背景,它是一束由长波长光子组成的暗淡光线。3月17日,天文学家声称,安置在南极的微波探测器BICEP2首次记录下“B模式”信号,该信号是CMB中一种难以捕捉的涡流数据,是早期宇宙的一段烙印。宇宙大爆炸理论认为,爆炸发生之后会立刻产生大量辐射,而辐射会生成蔓延整个宇宙的引力波。本次探测到的B模式信号就是引力波在宇宙时空结构中存在的直接证据。

“关于BICEP2的结论是否正确还是应谨慎对待,要等普朗克团队公布最终的正式数据才能下结论。”中科院高能物理所研究员张新民在接受《中国科学报》记者采访时说。

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不得不说,这是一个历史性的时刻。在不到一天的时间里,全球超过350万人尝试登陆哈佛网络直播平台,希望第一时间得知新闻发布会的细节,以至于哈佛完善的网络平台彻底崩溃——我想很少有一个科学发布会会引起几乎整个科学界甚至公众的震撼。作为宇宙中稀有的智慧生命的我们,窥探到了宇宙诞生后最初的一瞬间留给后人的信息——请相信我,作为智慧生命的种群,生活在这样的一个宇宙中,真的是一件非常幸福,更是幸运的事情。

现在最关键的问题是:本次探测到的B模式信号是否是真实的?如果结果像绝大多数领域内专家所认为的那样——是肯定的答案,那么许多更加广泛精确的测量手段将会出现,B模式天文学研究将进入一个新纪元。科学家希望通过研究B模式信号弄清宇宙大爆炸后星系形成和聚集的方式,同时对宇宙最初的形态有更深刻的了解。随着B模式信号研究的推进,许多原本神秘的因素,例如掌控宇宙形状和命运的暗物质和暗能量,也将一一展露它们的秘密。

苏萌表示,普朗克高频的极化数据是迄今为止估计银河系尘埃极化辐射的最好手段,对BICEP频段的贡献最为直接。其他方法由于没有极化信息,都是间接推断,因此从普朗克高频极化数据中得到的银河系辐射信息很重要。

,其天线盘直径长达10米。着名科学家拜生等人,目前在SPT小组工作。他们从南极站到SPT处,不过几百米之遥,乘坐履带车却走得相当艰难———-40℃的寒风都算是和风拂面了。摘下手套去拿图纸的片刻,手指就冻僵了。头上戴着遮面的厚帽,胡须上却结着呼出气体所结成的冰珠。在如此不适于生活的地方,他们却洋溢着工作的热情,只因他们要在宇宙学中找到一个突破性的发现———宇宙诞生的一个瞬间。

低调造访

就在新闻发布会的大约一周前,美国麻省理工学院教授阿兰·古斯(Alan Guth)收到一封电子邮件。内容大概是这样的:“尊敬的古斯教授,我们发现了一件有趣的事情,这个发现跟我的研究和你的研究都有关系。但是我还不能告诉你具体是什么内容。我希望能够尽快拜访你——这件事还是稍微有那么一点着急的,期盼你的回复。另外,出于保密的原因,请不要跟任何人提起我跟你联系见面这件事情,谢谢。”邮件的落款人,正是哈佛大学的约翰·科瓦克。

看到这封邮件,阿兰立刻猜到了可能会是什么事情。这是他盼望了30多年的一个信号,一个来自于宇宙诞生时候的关键信号。他在1980年提出过一个关于宇宙诞生时期的理论,而那个信号正是这一理论的关键预言!不过,在这个时候,快70岁的阿兰还没有想象的那么兴奋。

实际上,人们试图寻找这个信号已有多年时间,就算这个叫科瓦克的家伙声称看到了什么,估计也是那种好像“有点东西”,但又不那么确定的结果。就像两年前欧洲核子中心(CERN)发现希格斯粒子那样,最先他们看到的也只是一个3个sigma左右的信号。这是科学家用来判定结果在统计上是否靠谱的一种说法。用听得懂的中文来说,就是这个结果仍有千分之几的概率可能是错的。虽然听起来这已经是一个很小的数字,但其实科学史上出现过很多“号称”只有千分之几会错的东西,后来都证明是错的。人们往往会过于自信地估计他们寻找到的信号的真实性。所以,对于这种往往雷声大雨点小的信号,“久经考验”的阿兰已经习惯了。

见面被安排在第二天,麻省理工学院物理系古斯的办公室。出于保密的原因,穿着低调的科瓦克悄悄地进入物理系侧门,被人带到古斯办公室的后门。如果被人们看到行事低调、不常到麻省理工学院的科瓦克专程来找古斯,聪明的圈内人几乎都能猜到原因——他不希望泄露任何蛛丝马迹。科瓦克掏出他们准备发表的几近完成论文的样稿,古斯当时就惊呆了。

是的,这跟他当初想象的完全不一样,这不是一个3个sigma的信号,而是超过5个sigma——这意味着,统计上出错的概率只有大约千万分之一。按照传统的物理学发现的统计标准,“这就是一个发现,一个大发现!”阿兰激动万分,很长时间后才稍稍平静下来,开始询问科瓦克研究的细节。然后,他们开始商量如何把这个惊天的大发现公诸于世。

这就是后来科瓦克在新闻发布会上公布的结果:他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。这个信号名字有点长,我们不妨简单称之为“B模式”。这是宇宙早期引力波存在的直接证据,是暴胀理论的关键性预言,其意义与发现宇宙加速膨胀一样具有里程碑式的意义!

新豪天地登录网址 53月17日,美国哈佛-史密松天体物理中心召开新闻发布会,约翰·科瓦克(右1)宣布,他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。图中科学家从右向左,依次为约翰·科瓦克、郭兆林(Chao-Lin Kuo)、杰米·博克(Jamie Bock)和克莱姆·派克(Clem Pryke)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

那么,这个B模式信号到底是什么呢?让我们从宇宙微波背景辐射和宇宙暴胀理论谈起。

英国剑桥大学宇宙学家George Efstathiou说:“CMB是我们研究早期宇宙最好的一个突破口。”不过,研究早期宇宙单靠B模式研究是不够的。本次探测到的信号有局限性,且各项正在开展的研究之间没有进行很好的协调。此外,目前可用于研究的手段也是有限的。

张新民介绍说,微波背景辐射是大爆炸后剩下的余辉,即光子。光子除了有温度,还有两个极化——E模式极化和B模式极化。目前,温度和E模式极化都已被探测到,只有B模式极化没有被探测到。传统理论认为,只有暴涨理论预言的引力波能产生B模式极化。

新生宇宙近于无限的密实、极高的温度。随着宇宙的膨胀而冷却,辐射的能量也就此稀薄,其波长变长,在140亿年后,整个空间充满了微波辐射,天文界称之为CMB。这是解读婴儿宇宙及其后来演化的最佳宇宙学资料库。例如,在CMB上的微小温度变化,揭示出宇宙中分布着疏密不同的物质块,这些物质块以后会生成我们今日所见的星系团和空穴。

宇宙微波背景辐射

让我们想象自己是两千年前的哲学家,开始思考并询问自己这样的问题:我们存在的世界是如何起源的?我们从何处来?又向何处去?关于后者的回答,我想大概会贯穿人类未来文明的发展,而对于前者的追溯,考古学式的研究模式让我们总有机会对宇宙过去发生的事情说点什么——尤其是宇宙诞生之初,那实实在在的一瞬。

今天我们对宇宙最基本的认识就是,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。看过《生活大爆炸》片头的人都知道:我们整个宇宙诞生之初温度密度极高,随着不断地膨胀,宇宙慢慢地冷却。

在最初的大约38万年中,宇宙的平均温度在几万度以上,宇宙的主要组分——质子和电子,一直处于游离状态,没有形成氢原子。因为它们一旦结合成氢原子,马上就会被周围处在“热汤”中的高能光子打散。这样专门拆散别人结合的光子有很多,多到每一对质子电子周围就有几十亿个光子等着要拆散他们。所以很不幸,在漫长的数十万年中,质子和无数电子相见,却一直不能相聚。

然而,情况在宇宙年龄到了38万年的时候发生了本质性的改变。此时,宇宙的平均温度已经降到足够低,几十亿个光子中拥有足够能量去拆散一对质子电子的数目已经所剩无几。同时,随着宇宙密度的下降,光子能够撞到电子的概率也变得微乎其微。这些为数众多的光子突然变成了无关紧要的背景,此后几乎不再被宇宙中发生的任何事情所影响。

这些光子在宇宙中孤独穿行,携带着宇宙创生之初的关键信息——就像给大爆炸后38万年的宇宙拍了一张快照。随着宇宙的膨胀,它们的能量越来越低。直至今天,等效的辐射温度降到大约零下270℃,正好对应于我们熟知的微波波段。这些光子,被人们称为宇宙微波背景辐射。

新豪天地登录网址,可以说,上世纪60年代宇宙微波背景辐射的发现,是现代宇宙学开启的标志。它的发现证实了宇宙大爆炸理论,从此整个宇宙诞生以来的所有细节,变成了一门严肃的学科,被认真地研究和讨论。然而,也正是宇宙微波背景辐射,对大爆炸理论本身提出了一道难题。

我们知道,光速是宇宙中信息传递的极致,两个时空点之间如果连光都无法企及,那这两点发生的任何事情,都应该没有关联才对——因为双方都无法知道对方是什么状况。那么,在宇宙诞生38万年的时候,光一共能跑多远呢?直观一些讲,把这个距离投影在天空中,张角不过1°左右——只有两个满月并排起来那么宽。这样,问题就来了。从天空各个方向看到宇宙微波背景辐射,原则上可以千差万别,因为它们之间本该来不及传递任何信息才对。为什么我们实际观测的结果却是各个方向惊人地相同呢?这就是所谓的“视界困难”。

B模式信号的发现纯粹是一个“幸福的意外”。1964年3月20日,美国新泽西州霍姆斯市贝尔实验室的Arno Penzias和Robert Wilson在绘制银河系的射电辐射图时注意到了一股微弱的信号,该信号似乎是来自各个方向。起初,他们认为它是当地人类活动的产物,直到与一名同事交流后才认定它来自宇宙。

“探测宇宙微波背景辐射的B模式极化信息需要排除各类可能的前景污染干扰。”普朗克探测器低频组核心成员、高能物理所研究员夏俊卿告诉《中国科学报》记者,实验中探测到的光偏振信息也可能是由银河系尘埃等其他原因造成的,必须把这些前景污染的干扰扣除。

SPT专做CMB的详细观测和研究,但无论你看多么细致,你只能看到一幅宇宙的婴儿图像(大爆炸后38万年的时刻)。

暴胀假说

正是为了解决这一难题,前面提到的阿兰·古斯在1980年提出了这样一种可能性:在宇宙诞生最初的时刻,时空发生过一次急速膨胀的过程——这便是暴胀理论。更具体地说,现在人们普遍认为,宇宙大爆炸之后的一瞬间,时空在不到10-34秒的时间里迅速膨胀了1078倍(我就不用多少个亿来表达这两个数字有多极端了)。时空在这种暴胀发生之前是有信息交流的——即便后来被暴胀拉开很远。于是,看到一致的微波背景信号也就不足为奇了。

新豪天地登录网址 61980年率先提出宇宙暴胀理论的阿兰·古斯。图片来源:Donna Coveney,麻省理工学院

有趣的是,暴胀理论还可以解释另一件一直让人们困惑的事情。多种不同的宇宙学测量告诉我们,今天我们身处的宇宙时空是平直的——换句话说,时空就像是拉平的一张床单。乍一看,这似乎没什么大不了。但稍微做一些不太复杂的计算,人们很快就认识到,要想保证今天宇宙时空大致平坦的话,宇宙诞生之初的时空就必须平坦到一个令人发指的地步才行。宇宙要么在诞生之初被“非常精细的微调”,不然非平坦性很容易在宇宙演化的过程中被不断放大。这被称之为“平直性困难”。

当然,我们可以要求宇宙非常严格地做到了精确平坦,这跟任何基础物理学都不矛盾。但是物理学家不喜欢这种“不自然”的事情,总觉得应该有一些未知的规律促成了这些“奇怪”的要求。你或许已经猜到了——暴胀理论的出现正好解决了这个问题!不论暴胀之前宇宙时空是不是平坦的——哪怕它长得奇形怪状,在时空被瞬时拉大一亿亿亿亿亿亿亿亿亿倍的时候,原来的样子你是肯定看不出来了。暴胀理论预言:宇宙的时空不仅应该是平直的,而且应该是精确平直的!今天的天文学观测告诉我们,宇宙时空的形状与完全平直之间的偏差,不超过千分之几。

暴胀过程的副产品也极其有趣:人们之前一直想不明白,各向同性均匀的大爆炸,怎么就产生了宇宙中如此丰富的结构?暴胀理论的回答是,急速的暴胀把量子尺度的微观扰动迅速拉大到宏观尺度,变成不可逆的密度涨落。这些涨落成为宇宙结构形成的关键“种子”。在引力的相互作用下,密度高的地方逐渐聚集了更多的物质,宇宙由此演化出星系、恒星、行星等结构,以及在一颗暗淡的行星上奔波的我们。

虽然暴胀的概念被提出了30多年,这个神奇得甚至有点离奇而不可想象的过程是否真的发生过,依然是一个谜团。人们找不到太多可以不采用这种假说去解释观测的办法,但也没有找到直接证据让人们确信,在宇宙诞生的极早期,真的存在过这么一段所谓的暴胀时期。我们对宇宙的理解,缺失了这段极其重要的信息。

对于B模式信号,宇宙大爆炸理论长期以来一直都有预测。该理论认为宇宙不是一直存在的也不是亘古不变的,而是在某一时刻经过一场大爆炸而形成的,本次发现是支持该理论的强力证据。Penzias和Wilson的发现证明,宇宙的温度曾一度比今天高很多。他们记录下来的光子是宇宙大爆炸38万年之后被释放出来的——当时正在不断延伸的宇宙空间已经冷却到足以使电子和质子结合形成氢原子的阶段。光子在宇宙中不停穿梭,它完好地保存着被释放时所记录下来的“宇宙片段”。

夏俊卿表示,需要通过不同频率段的微波背景辐射观测确定前景污染的模型,把这些前景污染的模型都弄清楚后,才能得到比较干净的微波背景辐射结果。但BICEP2只有一个频率波段的结果,自身无法把前景污染的干扰扣除。

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原初引力波与B模式极化信号

幸运的是,在众多的理论模型中,相当多数预言了在这个暴胀时期,时空的扰动会留下一些蛛丝马迹。根据爱因斯坦100年前天才创造的广义相对论,暴胀的时空扰动会产生特征性很强的引力波。因为这种引力波产生于宇宙诞生之初,人们给它起名叫——原初引力波。

新豪天地登录网址 8宇宙暴胀理论认为,在大爆炸后极短的一瞬间,宇宙经历了一场超快速膨胀。这一过程产生的原初引力波会在后来产生的宇宙微波背景辐射中留下可以探测的印迹。图片来源:www.physicsworld.org

这些暴胀理论有一个最基本的假设,那就是我们对量子理论和引力理论的了解有足够的自信。想象一下,爱因斯坦和量子论的先贤们几乎凭空把玩出来的漂亮理论,尽管经历了地球上近百年实验的检验,但要把它们一下子推到整个宇宙诞生的一瞬间,认为在那种极端环境下它们也仍然成立。不得不说,这是一个相当相当大胆的假设。果真如此的话,我不知道爱因斯坦假如还活着会是怎样的心情——他大概会写出更美丽的诗句,赞美宇宙的不可思议。

如果真能探测到如理论预言般的原初引力波,我们就对基础物理学中两个极其重要的理论,提供了关键性的支持。其一是爱因斯坦广义相对论所预言的引力波,而且来自于宇宙创世的瞬间!其二则是暴胀理论,这或许是宇宙演化历史中最不可思议的一瞬。同时人类将拥有一个新的强大的手段,去研究地球上的粒子加速器实验(比如著名的欧洲核子中心耗资百亿欧元的大型强子对撞机)无法企及的能量。由引力波强度决定的暴胀理论所发生的时刻,将是一个前所未知的物理学崭新的领域。

好吧,理论家说有可能存在原初引力波的信号,那么又该如何去观测呢?引力波作为一种扰动形式,会影响微波背景辐射的温度涨落。你可以把它想象成水面上的一个波对另一个波产生干扰,但是由于影响很弱,只有10%左右,不容易跟其他信号区分开来。于是,人们把目光投向了微波背景辐射的所谓偏振信号,也就是极化信号。要想更好地理解光子极化这个概念,在我丢失太多读者之前,请允许我作一个不太恰当的比喻。

想象一下我们分手的时候(不要告诉我你没有分手过,那我会羡慕死你的),你不会在说完最后一句话后,随机向任意方向离开你的前男友(或者前女友)。没错,大多数人都会选择180°转身离开。如果统计足够多的分手事例,你可以画出“分手路径空间分布图”。你会发现180°离开的人,概率是最大的(我想大概没有人真会无聊到去作这样的统计,不过为什么不呢)。也就是说,空间分布的各向同性被打破了,这就是极化——对方向出现了某种偏好。

还记得我们之前讲到的专门拆散人家质子和电子的那些讨厌的光子吗?一样的道理,它们最后一次跟电子碰撞之后也会携带电子传递给它的方向特性,这个极化信号穿过茫茫宇宙最终被南极的BICEP望远镜观测到。众多的光子与电子碰撞以后集体展现出来的这种方向选择性,可以用两个物理量描述:E模式极化和B模式极化。人们发现,B模式在足够大的空间尺度上,只能通过原初引力波产生!于是,事情听起来似乎变得很简单:只要建造最好的望远镜,但凡看到这种特殊模式的信号——B模式极化信号,就能证明原初引力波的存在!

而这正是约翰·科瓦克和他的伙伴们10多年来一直拼命在做的事情。

新豪天地登录网址 9约翰·科瓦克和他在南极极点附近建造的BICEP望远镜(科瓦克身后右手左下方建筑物顶上的碗状物)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

1990年,美国宇航局发射的宇宙背景探险者卫星首次精确测量出CMB的温度为2.725开尔文,且证明无论从任何方向测量结果都是一样的。这表明原始的等离子体具有始终如一的特性。

“由于普朗克数据没有公布给科学界使用,所以BICEP2组参考了普朗克项目组在公开学术报告中展示的结果图。”苏萌说。

我们无法再往前观察,因为早期宇宙充满了沸腾的等离子体,它不停地吸收和放射光子———这意味着光子无法逃出这个空间,即宇宙是不透明的,只有温度下降得足够低,使得这些粒子组合成中性原子时,辐射和光才能自由地穿过宇宙空间。因此,我们从宇宙变得透明的时刻只能取得一幅婴儿宇宙的相片,而无法获得其诞生时的瞬间图像。

大爆炸的追梦人

说到这里,不妨先介绍一下我曾经的博士导师约翰·科瓦克。我第一次见到科瓦克是在2008年的初夏。当时哈佛天文系有新的教职空缺,几百位申请人最终有5位候选人被允许来学校面试,约翰便是其中一位。第一眼看到他,我只觉得这个人一点架子都没有,年轻帅气健谈,更像一个拖了许久没有毕业的博士生。

面试项目众多,其中一项是在几乎所有在职教授挑剔的眼光中,讲解自己的研究。约翰的演讲非常成功。当时我还在哈佛大学读研究生,主要研究B模式探测的理论和实验模拟,听懂他的报告毫无问题。报告一结束,我就找到约翰打招呼,介绍我的工作。没想到我们聊得太起劲,不小心耽误了他之后的面试程序。这让我很是不好意思,于是到处拉拢小伙伴跟我一起支持约翰来哈佛任教——因为哈佛大学的教授选拔制度较为开明,研究生们对教授候选人的评价也是重要的考核标准。

最后,印象中约翰在5位候选人中排名第3。不过好在排名前两位的人后来都没有接受哈佛大学的教职邀请。终于,约翰于2008年秋天来到哈佛,正式打造哈佛宇宙微波背景研究团队。我也很自然地成为入住约翰崭新而空旷的实验室的第一人,有机会开始跟他合作B模式探测的南极实验。

事实上,约翰从1992年起,每一年就都要去南极,建设宇宙微波背景辐射探测装置。今年他已经是第23次在南极的极昼期间奔赴地球之极了。南极的极昼是北半球的冬天。20多年,他几乎没怎么和妻子家人一起过过圣诞节。对于西方人,尤其是基督教徒来说,这就像我们几十年都不回家过年一样。

幸运的是,宇宙对约翰很公平。2002年,身为研究生的他成功地在当时最先进的微波背景辐射卫星——威尔金森探测器(WMAP)得到结果之前,用设在南极极点的DASI望远镜,率先测量到了另一种宇宙微波背景辐射极化信号——跟B模式对应的,称为E模式。他的这篇博士论文,最终作为封面文章,发表在了《自然》杂志上。《自然》杂志为了发表这篇论文,还特例打破对文章篇幅的限制。因为约翰对《自然》的编辑说,“如果你不让我全文刊登,我就要换杂志了。”可以说,在博士研究生毕业的时候,约翰就已经站到了宇宙微波背景辐射研究领域的最前沿。

也正是在2002年左右,约翰组建了一个20人左右的团队,提议在南极的极点附近建设一台名为“BICEP”的望远镜。BICEP的英文全拼大概可以翻译为“宇宙泛星系偏震背景成像”。这是世界上首次专门针对搜寻原初引力波产生的B模式信号而建造的探测装置。由于投资相对较小,科学目标又非常重要,BICEP项目很快就得到了批准。

但科学家很快就证明CMB是不均衡分布的。1992年,COBE项目科学家发现,随着宇宙延伸,CMB的温度相差约为十万分之一。这种微小的“各向异性”蕴涵着宇宙进化过程的重要信息。光子在被释放出来时会在CMB内形成“热点”和“冷点”,代表着不同区域中气体密度的微小差异。绝大多数宇宙学家认为这种差异的形成受到了重力的影响。在重力作用下,宇宙气体密度较大的区域会开始聚合并形成星系。

他同时表示,除普朗克数据外,BICEP2研究人员还参考了威尔金森宇宙微波辐射各向异性探测器的数据,以及之前早已公开的低频段射电观测到的数据。

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梦圆南极极点

为什么要把BICEP千里迢迢运到南极去观测?

新豪天地登录网址 11美国空军一架LC-130运输机起飞途中飞越设在南极极点附近的望远镜。图中从左到右的望远镜依次是南极望远镜、BICEP2望远镜和凯克阵望远镜。图片来源:Steffen Richter,哈佛大学

考虑到宇宙微波背景辐射的信号特征,以及来自天空中其他辐射源的影响,1000-3000亿赫兹的频率是最佳的观测窗口,这比我们平常听的调频广播频率要高几千倍。不幸的是,这个波段的电磁波会被大气中的水蒸气吸收,同时水蒸气也会发射大量类似频率的信号,极大地影响观测。

因此,观测宇宙微波背景辐射的望远镜,往往被搭建在极为干燥的地点,比如智利阿塔卡马沙漠的高山之巅,再比如寒冷刺骨的南极高原。虽然南极被厚厚的冰层覆盖,但寒冷的温度让南极大气中的水蒸气含量极低。当然不考虑成本的话,也可以把探测器发射到太空中,比如美国航空航天局于2001年发射的威尔金森探测器,以及欧洲空间局于2009年发射的普朗克卫星(Planck)。

可是,南极极点不是任何时候都可以去的。2013年美国国家地理网站公布了世界上7座环境最极端的机场,排名第一的就是南极洲冰跑道。在这些机场起降不仅需要出色的驾驶技术,同时也需要过人的胆量和勇气。

BICEP的人员和工程装备,都要由美国空军的C-130运输机运抵南极洲罗斯岛的美国麦克默多科考站。这里的海冰机场可以说是最让人恐惧的机场之一,即使在条件最好的情况下,这种简易机场也处于不稳定状态,给起降带来不小难度。为麦克默多站运送物资补给的飞机一般在南极极昼刚刚开始的时候使用,此时的天气环境比较适于飞机起降。如果海冰开始变得脆弱,这个机场将停用,而改用罗斯冰架上的另一条冰跑道起降。有时要抵达南极极点或者回来,需要花上一周的时间。

新豪天地登录网址 12科学家会在每年南极的夏天极昼期间来到南极极点,为BICEP望远镜加注大量的液氦。图为物理学家乔恩·考夫曼(Jon Kaufman)正为BICEP2加注液氦。图片来源:Jeffrey Donenfeld

尽管条件艰苦,BICEP项目经过紧张的准备,于2005年南极的夏天正式建造,到2006年就开始采集科学数据。由于条件有限,只有在每年南极极昼期间大约3个月的时间里,我们有机会运送给养,修复或者升级BICEP望远镜。这个时候我们会暂停观测,进行紧张的工程建设——比如加注大量的液氦,把整个望远镜都冷却到-270℃附近,来降低探测时的噪音。

在剩下的部分极昼以及整个极夜期间,BICEP会对一个特定的天区进行不间断观测,积累最长的曝光时间,提高探测数据的灵敏度。而在极夜到来之前,绝大多数BICEP成员都会撤出南极。事实上,只有一个人会留下来,我们把这个人叫做“过冬的人”(winterover),望远镜在整个极夜期间的运行和维护都由他来负责。这个岗位很艰苦,不仅任务艰巨,而且6个月见不到太阳的日子可不好过,因为屋子里是寂寞和孤独,屋子外面就是地球之极的黑暗和冰冻。

在下面的图里,左面房顶的“大锅”里是BICEP望远镜,右边的大家伙是直径10米的“南极望远镜”,目标都是对宇宙微波背景辐射进行最为缜密的测量。BICEP的大锅看起来大,其实它的作用只是遮挡来自地表的各种辐射干扰。真正的望远镜口径只有26厘米,大概还没有你的笔记本电脑大。安装在BICEP上的第一代仪器,从2006年观测到2009年。此后升级的第二代仪器BICEP2,观测效率由于探测器技术上的突飞猛进,一下子提高了近10倍!BICEP2于2008年底运抵南极观测站,从2009年运行到了2012年。

新豪天地登录网址 13设在南极点附近的BICEP望远镜和南极望远镜。图片来源:哈佛大学

2008年加入约翰的研究团队之后,我主要负责处理分析第一代BICEP望远镜收集的数据。其间大概画了几千个图,做了各种分析手段的尝试和改进,大量的时间是艰难而沉闷的,因为总会有意想不到的困难出现,而你必须找到有效的解决方案,不然就会影响数据分析的可靠性,以及团队的整体进展。对分析结果的检验更是要进行各种严格而繁冗的检查,2009年就收集完成的第一代实验数据,为了配合BICEP的各项数据分析技术测试和交叉检验等要求,直到2013年10月才公布了分析结果,发表了最终的科学论文——这是此次新闻发布会之前,对宇宙原初引力波得到的最好结果。

说实话,对第一代实验的数据分析,本该是我博士论文的题目。但论文发表时,已经是我在麻省理工学院做博士后研究的第二年了。不过,也正是由于我们在BICEP1的数据分析技术上做了非常充分的准备,对软件和观测仪器的理解精益求精,才使得我们对升级后的BICEP2采集的数据能够进行迅速可靠的科学分析。2013年春天,就在BICEP2完成数据采集的第二年,合作组已经得出了初步的分析结果——当时小伙伴们都惊呆了,这是一个非零的B模式信号!!

随之而来的,不是兴奋和欣喜,更多的其实是担心。我们真的探测到原初引力波的信号了吗?还是说,我们有哪里做错了?因为几乎谁都没有想到,B模式信号会被第二代BICEP实验看到,这个信号还比理论学家或者说绝大部分人的猜测都要大。BICEP2使用了当时世界上最先进的探测手段,一切都是新的,经验不多。事实上,对仪器性能的理解一直是困扰整个研究团队进展的关键瓶颈。尽管已经把所有精力都花在对仪器可能产生的影响上,面对一个出乎意料的信号,我们的心里还是在打鼓。在详尽地检查所有可能的错误之前,谁也不敢贸然站出来宣称如此重大的发现。

新豪天地登录网址 14BICEP2望远镜下方的控制室。图片来源:Jeffrey Donenfeld

按照通常的科学发现习惯,只有一个结果得到真正地重复和确认之后,人们才会放心地把它作为文明的一部分继承和发展下去。科学或许是最不允许出错的文明积累过程,公布错误的不严谨的科学发现,也会让一个科学家失去很大的信誉,甚至成为耻辱。科学史上不止一次出现过乌龙式的“发现”,最近一次大概要属几年前意大利人的中微子超光速。被证实是仪器连接错误之后,项目负责人据说最终引咎辞职。

好吧,我们要冷静下来,好好检查一下到底哪里会出问题?首要的问题就是,研究积累的数据之间是否相互一致。比如说,把3年的数据分成两份,分别分析每一份,看得到的结果是否一致。另外,还要保证测量的结果的确是我们想测量的原初引力波信号。测量如此微弱的信号,需要极其小心地避免各种可能的、来自测量过程的影响…… 压制着内心的那份激动,紧张而谨慎的数据分析和研究又进行了一年。

“直到我们首次将BICEP2的信号与BICEP1的信号进行比对,两者都检测到了同样的信号,”就像约翰·科瓦克在接受《自然》杂志采访的时候说的,“这是非常有力的证据,因为与BICEP2相比,BICEP1采用的探测器非常不同,使用的技术也完全不同。这就让怀疑的空间大大减小了。终于,我们组内的最后一点质疑也被打消了。”是的,跟BICEP1的对比分析让合作组充满信心,认定看到的就是真正的、来自宇宙最早期的“声音”!

至此,继率先发现E模式极化信号之后,南极的太阳十次东升西落,见证了一群南极极点逐梦人的圆梦时刻——每个宇宙微波背景辐射的猎手都梦寐以求而不得染指的B模式信号,被科瓦克领导的团队发现。他一个人,成为了微波背景辐射极化信号两种模式的发现人和领导者,可谓功德圆满。

新豪天地登录网址 15在南极观测站负责维护和升级BICEP望远镜及凯克阵望远镜的部分团队成员的合影。图片来源:Jeffrey Donenfeld

尽管在寻找B模式信号的竞赛中,BICEP2走在了最前面,但我要说的是,探索宇宙是人类的梦想,许多人在为之付出生活的全部,尽管他们中的绝大多数人,你永远都不会听说。其他研究小组也在地球上最好的观测点建造各种望远镜,试图寻找这个微弱的信号——包括南极大陆和智利高原,还有欧洲空间局代价昂贵许多的普朗克卫星。

按照现在的计划,普朗克卫星将于2014年10月公布对B模式极化信号的探测结果,普朗克研究团队的同事们都在努力让普朗克的最终结果早日出炉。其他几个地面的观测实验也将大约在1年后得到独立的结果。所有这些实验都在紧锣密鼓地进行着,因为这个发现实在是太重要了,每个人都在持怀疑的态度对待这个革命性的进展。不同的声音也在发布会之后慢慢在科学界产生,BICEP2真的看到了宇宙诞生之初的信号吗?所有人都在等待普朗克以及其他望远镜的结果,他们会验证BICEP2的发现吗?不久的将来我们就会得到确切的答案。也期待着不久之后我们会最终自信地补上了大爆炸宇宙学这项人类最伟大智慧成就之一的最后一片缺失的拼图——宇宙暴胀。在不久的将来,我们将在宇宙纪年表的开头填上这样一笔:在大爆炸创世后的一瞬间,宇宙曾经急速膨胀。

“各向异性”的发现还引发了理论家的灵感,进而提升了人们对CMB的认知。科学家认为,CMB中“热点”和“冷点”的大小是由宇宙中大量的压力波和密度波所决定的。随着宇宙的伸展,两种波动的频率有高有低,就如同小提琴内的谐波回声一般。

据悉,目前BICEP2的研究人员并不打算修改或撤回发表在电子预印本文献库(arXiv.org)上的论文,而普朗克的正式前景微波图计划在今年10月公布。

在宇宙创生后的更早时刻,理论告诉我们发生了宇宙暴胀,空间呈现指数性的快速膨胀,它始于宇宙最初的10-36秒,为一种神秘的带有负压的真空能所推动。在这短暂的时刻,可观察宇宙从比原子小的尺寸扩大到一颗葡萄那么大。幸运的是,暴胀至此结束(此时为10-33秒),宇宙进入了平稳的膨胀状态,星系、恒星、行星得以生成。

见证历史

2014 年是个有趣的年份——爱因斯坦诞辰135周年,这位科学巨人在一个世纪前提出了惊人的广义相对论,我们开始理解这个宇宙的运行方式。同时,整整50年前的1964年,贝尔实验室的两位科学家兼工程师发现了宇宙微波背景辐射,人们开始窥探宇宙婴儿时期的模样。

新豪天地登录网址 16BICEP2实验中发现的微小的涡旋涨落,这是原初引力波在微波背景辐射中留下的印迹。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

在哈佛-史密松天体物理研究中心一个多月前举办的纪念仪式上,阿兰·古斯和宇宙微波背景的发现人之一罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)曾经畅谈自己对宇宙学的贡献,以及对未来宇宙学研究的期望。

那时科瓦克坐在大厅的一个不起眼的角落里。可能他无数次地望向阿兰,可那个时候的阿兰还不知道,坐在自己不远处的科瓦克,心里藏着一个多么让人兴奋的秘密,会给他执著了半生关于宇宙诞生的故事提供一个完美的答案。

回顾历史,古斯和威尔逊最重要的贡献都是在自己30多岁的时候做出的。他们享受着宇宙带给人类的惊讶,他们的发现和研究也被后人传承和发展。这就是站在地球上的我们,延续着的文明,对宇宙的理解。

记得爱因斯坦说过,宇宙中最不可理解的事情就是宇宙是可以被理解的。观测宇宙学反复的膨胀着人类认知宇宙的坚定信念和超乎想象的心智与技能。从仰望星空的一瞬间开始,我们就注定被感动,也注定不会停下脚步。无论直接或间接的参与其中,每个人,都生活在这苍穹之下,每个人,都有仰望星空的权利。

可能有人会说,宇宙学的黄金时代已经过去。但在3月17号,我的微博被原初引力波信号的报道刷屏了,大家都在疯狂地谈论着。这是一个值得纪念的日子。BICEP的观测结果告诉我们,宇宙总是充满惊叹,这也是她的魅力所在。我们正在经历着人类认知宇宙的革命性时代,我们在了解过去的先贤不曾认识的宇宙,我们真的很幸运。我想,爱因斯坦也会惊讶我们对宇宙的认知可以前进到大爆炸后的那么一瞬。无论多少次想,你都会觉得不可思议,真的不可思议。

新豪天地登录网址 17出席3月17日新闻发布会的科学家,从右往左依次是阿兰·古斯、安德烈·林德、郭兆林、约翰·科瓦克、罗伯特·威尔逊、杰米·博克和克莱姆·派克。如果这一发现得到其他实验的证实,这些科学家中将出现好几位诺贝尔奖得主。(罗伯特·威尔逊已于1978年因为发现宇宙微波背景而获得过诺贝尔物理学奖。)图片来源:Rick Friedman,纽约时报

得益于BICEP系列试验最终发现了原初引力波留下的印迹,古斯在30多年前提出的宇宙暴胀假说,终于获得了直接证据的支持。或许在不久之后,阿兰和约翰,或许还有斯坦福大学的教授安德烈·林德(Andrei Linde),会因此获得诺贝尔物理学奖,以表彰他们对宇宙学里程碑式的贡献。我期待着若干年后,我们再来回顾人类对宇宙的认知历程的时候,发生在这里的人和事会被想起,仰望星空的感动会被后来者传承。

最后,按照BICEP组的惯例,我将此文献给加州理工学院已故的天体物理学家、前数学物理天文学部主任安德鲁·朗吉(Andrew Lange)。他在2010年由于抑郁症自杀身亡。他领导的宇宙微波背景气球实验BOOMERanG,率先证实了宇宙的时空是平直的。他生前曾经指导过很多后来从事宇宙微波背景实验研究的重量级学者,其中就包括约翰·科瓦克。我希望朗吉能知道,搜寻B模式极化的信号不像他总开玩笑说的那样,是“宇宙中最大的徒劳无益之事”。我们看到了这个信号,希望他也能。(编辑:Steed)

 

本文作者苏萌,为美国麻省理工学院/哈佛-史密松天体物理中心研究员,曾经参与发现银河系银盘上下两侧的巨型费米气泡结构,并因此获得2014年美国天文学会颁发的高能天体物理布鲁诺·罗西奖(Bruno Rossi Prize)。他也是此次宣布发现原初引力波产生的宇宙微波背景极化信号的BICEP团队成员。他的微博ID为@哈佛苏萌。

天文学家通过研究CMB中两种波动的主频或声峰能推断出宇宙的许多物理特性。例如最大的声峰波动在1度左右,相当于月球直径的2倍大小。这恰好和理论中推测的一样,证明不断延展的宇宙是一个几何平面,因此在宇宙中穿梭的平行光线永远不会相交。此外,第二大声峰波动大约为0.4度,天文学家据此推测:普通的物质如原子、行星以及恒星的总质量只占全宇宙总质量的不到5%,剩下95%的物质都是不可见的暗物质和暗能量。

夏俊卿透露说,目前普朗克团队在现有的温度谱和E模式极化研究的基础上,重点研究B模式的极化信息。一旦有结果且确认结果是对的,就会及时公布。

暴胀是一个众所周知的理论,为量子原理所支持,并在一定程度上获得观测的验证。它解释了宇宙学中不少的难题。例如,它解释了早期宇宙学中的密度变化,那是一种微小的量子起伏,是暴胀放大的结果,甚至有可能和神秘的暗能量有关,正是它加速了今日宇宙的膨胀。

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10年前,科学家研制出了对光子的极化具有高灵敏度的探测器,此后CMB研究进入了一个新阶段。极化现象是由宇宙等离子体内的光子散射出自由移动的电子而产生的,而最有可能测量这种现象的途径就是B模式。科学家相信通过研究B模式能找到直接的证据证明:宇宙在刚生成的10-36~10-32秒左右经历过极其强大的辐射。

“我相信如果BICEP2给出的结果是正确的,那么普朗克卫星数据中应该也可以看到原初引力波的迹象。”夏俊卿说。

暴胀理论虽然相当成功,但还是受困于一些问题。首先,暴胀论有较多的版本,天文学家不能全部接受。究竟孰是孰非却又很断定,因为我们无法观察到暴胀期的真相。

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理论家于上世纪80年代早期提出了一个设想,用于解释为何宇宙在总体上是呈一个平滑的几何平面的。他们认为,宇宙的急速膨胀会将绝大多数不规则的物质驱离出去,并将一切弯曲的物质压平。所剩不多的不规则物质在CMB中以温度的各向异性呈现,能极大地放大宇宙能量中原本微小的量子波动。

与此同时,“BICEP2升级后的下一代望远镜BICEP3设备正在多个科研院所进行调试,今年冬天将运往南极开始观测。”苏萌说。 (原标题《结论有待普朗克正式数据验证》)

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但以上都是理论假设,研究者必须具备测量B模式的能力才能予以证明。这要求他们找到一种能识别微弱信号的方法,而后者很容易被宇宙尘埃和星系磁场释放出的极化物质所掩盖。此次BICEP2探测器侦测到的B模式信号的规模在1度左右,足以避免星系磁场的干扰。研究者可以据此探寻一些最基本的极化模式,例如不断膨胀的引力波。BICEP2的探测结果令整个宇宙学界振奋不已,但也带来了新的疑问:BICEP2探测到的极化模式的强度极大地超过了任何一个宇宙模型的预测。

《中国科学报》 (2014-05-22 第1版 要闻) 更多阅读 专家解读原初引力波重大发现 时评:原初引力波发现的四大意义 《自然》专访“大爆炸”引力波证据发现者 美国科学家将宣布引力波重大发现 美科学家找到“宇宙大爆炸”决定性证据

而今峰回路转。在过去的10年中,宇宙学家认识到,暴胀的突然停止必将在时空中产生振动,形成时空的波纹,这便是引力波,是爱因斯坦广义相对论所预言的。这些原始引力波可通过灼热的早期宇宙,故它们的频率和能量将显示出暴胀停止时的宇宙状态。因此,只要我们能找到原始引力波,我们就可以得悉宇宙最初瞬间的情景。

在接下来的数年时间里,共有6项实验将在南极洲和智利开展,专门用来确认BICEP2探测结果的真实性。此外,普朗克卫星的研究数据将于今年秋季公布,其中包括新绘制出的极化图。宇宙学家对此抱有更高的期待,因为普朗克卫星的探测范围比陆基探测器的探测范围更大。相较于后者只能探测到未被空气中的水蒸气吸收的窄波段辐射频率,普朗克卫星的超强探测能力可为天文学家提供“一览无遗”的视野。如果普朗克卫星证明BICEP2的发现是真实的,那么整个学界将为此狂欢。如果结果不理想,宇宙学家必须对此作出合理的解释,那将是一项艰巨的挑战。

理论家认为,引力波可能是稳定的或偶发的,视不同性质的波源而定,其频率覆盖度甚大,从10-17赫兹~1022赫兹,相差39个数量级,而其最大的波长长度,相当于宇宙的跨度。研究者相信,它们必然会在CMB上留下印迹。若我们找到这些痕迹,就可以识别出不同版本的暴胀模型,从而了解暴胀的真相。

在“纠结”于BICEP2探测结果的同时,研究CMB的科学家也在着重提升测量B模式的能力。例如,目前有许多用于精确测量辐射的理论,每一种理论都对引力波在宇宙的分布提出了具体推测。掌握测量B模式的方法有助于天文学家梳理并排除明显是错误的理论。

拜生小组为他们的新型设备倍感兴奋,因为该望远镜配上了极化计,可以用来测CMB的极化现象。这个极化现象,是CMB在旅途中被电子散射而引起的。引力波可以悄悄地改变极化的样式,在其波纹通过时空时明显地移动电子,从而在CMB上留下印迹。

此外,B模式还与宇宙中的质量分布以及星系的聚合方式密切相关。科学家通过研究B模式信号可以解开不少宇宙中未解的谜题,例如了解暗能量的性质和识别不可见的暗物质粒子。前者使宇宙的膨胀速度加快,而后者则占有宇宙总质量的绝大部分。

来自原始引力波的极化信号极微弱,频率很低,皆被强得多的信号———早期宇宙中的密度起伏———所覆盖。拜生说,没有人知道测量引力波极化现象有多困难。

通过将宇宙中氢的研究和B模式信号的研究相结合,科学家能探测到宇宙中第一颗恒星和第一批星系发射出的电离辐射。科学家认为,从那个年代分散出来的电子必定含有CMB中B模型的重要极化信息。

为何测量CMB极化的设备要设在如此遥远、不适合人居住的地方?那是因为观测CMB辐射需要一个高而广的区域。大气中的水蒸气吸收微波,故在海面上不能观测CMB,因为望远镜上方布满着含水分的大气,即使在高山顶上也需要真正干燥的空气。而南极处在2830米的高度,且大气极干燥。

但是,资金短缺是横亘在B模式研究面前的一道坎。一些天文学家建议削减一些研究B模式的陆基实验项目,他们抱怨这些陆基的CMB研究项目不愿共享研究数据。但另一些人认为,陆基实验项目更加经济,且两种渠道齐头并进能确保更好地推进B模式研究。归根结底,所有人都认可的一点是:开展太空CMB研究项目势在必行。

微波背景各向异性阵列,设在夏威夷高地3400米高的斜坡上。对望远镜来说,条件最为优越的要数智利阿塔卡马沙漠了。自2012年以来,那里一直进行的北极熊实验,就是为了测量CMB极化。这些设备皆设在Cerro Toco顶上,高达5200米。2013年晚些时候,近旁的阿塔卡马宇宙学望远镜极化计摄像机也将参与这一实验。这将提供前所未有的、最灵敏的CMB极化测量。

尽管未来有许多不确定性,但研究CMB的科学家仍然斗志满满。Efstathiou说:“仁慈的大自然给予我们如此珍贵的礼物,让我们有机会看清早期的宇宙是什么样子。我们必须牢牢把握机会,一探究竟。”

有两个小组间的竞争十分激烈,但很友好,他们不会停留在现今这一极化计上。SPT极化计小组已经在研制新的、更高级的仪器,其灵敏度比先前的高10倍。而阿塔卡马小组则正在设计先进的阿塔卡马极化计。在获取暴胀的印迹———难以琢磨的极化图形———方面,灵敏度、角分辨率、频率覆盖面和天空覆盖面皆起着相当重要的作用。柏林斯顿大学的D.斯伯格说:“我们迄今不知道这个信号的强度,这是一门探索性的科学。”

《中国科学报》 (2014-05-19 第3版 国际)

科学界花了那么大的努力,都是为了获取同一猎物。例如,普朗克望远镜早在2009年发射以来一直在绘制详细的CMB图。2013年3月,该研究组公布了迄今以来最佳的CMB图,它覆盖了整个天空。他们还在分析来自该望远镜极化计的测量数据。欧洲空间研究和技术中心的负责人说:“我们打算公布极化计一年来测得的首批数据。”

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但是,普朗克望远镜的灵敏度不如某些基地探测设备,不能测到最小范围的现象。这便给其他的CMB极化测量研究组带来夺冠的可能。

还有一些研究者的实验在较高的位置进行。有些研究者把仪器设备置于气球之下,飞行在南极洲、澳大利亚和新墨西哥的高空中。BICEP2的探测设备位于南极的一台小望远镜上,EBEX的探测器早在2013年1月在南极洲完成了25天的气球飞行。

还有许多实验已在计划之中。斯伯格说:“我敢肯定,在今后的几年中,这方面必有较大的发展。”他相信,通过测到CMB极化而确证暴胀将获得诺贝尔奖。

也有人说,测量结果早已收集到手。BICEP小组成员J.博克说:“我们计划公布2013年的初步结果。我们目前正在分析3年来更有分量的数据。分析涉及校正、确切地了解仪器对信号和噪声的区分,以及调查系统的误差。而这是不容易的。”

博克声称,BICEP2的灵敏度已达到令人满意的水平,但他没有提到该小组是否已找到了暴胀的印迹。EBEX小组的领头人S.海纳尼说:“我们也不知道谁将首先测得这个信号,但这一探测结果必将在最近两年取得。”

看到像拜生那样的科学家,离开舒适的家,去往这个世界的极地,过着严峻的生活。这一切使我们认识到,他们是如何认真地追寻大自然的真理———暴胀的坚实证据。要知道,这一艰辛努力并没有必然成功的保障。如果原始引力波较微弱,那么揭露真相的极化现象有可能永远发现不了。但科学界并不因此而对前景感到沮丧,他们总会有办法获得成功的!

编辑:科学研究 本文来源:早期宇宙膨胀直接证据为宇宙研究打开突破,宇

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