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        探測(cè)宇宙最初的暴漲理論

        2014-04-26 03:12:30鄧雪梅編譯
        世界科學(xué) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:普朗克引力波望遠(yuǎn)鏡

        鄧雪梅/編譯

        坐落在南極的BICEP2射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到來(lái)自于宇宙大爆炸后瞬間的引力波印記

        如果想象一下大爆炸理論會(huì)令你頭疼的話,那么大爆炸后瞬間所發(fā)生的事情會(huì)讓你更加難以想象。宇宙學(xué)家們認(rèn)為剛剛創(chuàng)生不久的宇宙——此時(shí)物質(zhì)和能量極其致密和炙熱——經(jīng)歷了一場(chǎng)比光速還要快的瞬間膨脹。就像一個(gè)神奇的氣球,宇宙在短短10-32秒的時(shí)間里膨脹到原來(lái)大小的60倍。這一階段,被稱(chēng)為暴漲,該過(guò)程甚至在宇宙演化還不到1秒的時(shí)間之前就早早結(jié)束了。

        探測(cè)到引力波痕跡

        現(xiàn)在,就在宇宙演化的137億年之后,宇宙學(xué)家們探測(cè)到了這個(gè)暴漲階段的第一個(gè)直接證據(jù)——這也是宇宙學(xué)領(lǐng)域20年中的最大發(fā)現(xiàn)之一。通過(guò)研究宇宙微波背景(CMB)——它是大爆炸遺留物——他們辨認(rèn)出了引力波留下的痕跡。引力波是整個(gè)宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪。在宇宙誕生之后,引力波便在宇宙中傳播。這些引力波在宇宙微波背景中留下的印跡是理論學(xué)家?guī)资曛邦A(yù)測(cè)的結(jié)論。不久前,哈佛大學(xué)史密森天體物理中心宣布,類(lèi)似于電磁相互作用等其他基本作用力一樣,在最小尺度上的引力也遵循著量子力學(xué)的規(guī)律。

        “這是一個(gè)令人震驚的結(jié)果?!甭槭±砉W(xué)院的宇宙學(xué)家艾倫·古斯(Alan Guth)說(shuō)。他也是暴漲理論最早的提出者之一。古斯并沒(méi)有參與史密森天體物理中心宣布的科學(xué)研究,之前他發(fā)誓要保守秘密以后,研究人員曾向他展示了一份手稿?!斑@一觀測(cè)的可信度非常高,”他說(shuō)。斯坦福大學(xué)的宇宙學(xué)家安德烈·林德(Andrei Linde)表示贊同:“如果這些結(jié)果是正確的,那么暴漲理論已經(jīng)通過(guò)了迄今最難的檢驗(yàn)。”他也是暴漲理論的建立者之一。

        這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自于設(shè)置在南極上的一臺(tái)小而尖端的望遠(yuǎn)鏡:宇宙河外偏振背景成像(BICEP)望遠(yuǎn)鏡。如同可見(jiàn)光和其他種類(lèi)的電磁輻射一樣,宇宙微波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以沿著任意方向無(wú)數(shù)次的振蕩。研究人員通過(guò)使用BICEP望遠(yuǎn)鏡來(lái)繪制在不同天區(qū)中宇宙微波背景的方向或極化。數(shù)據(jù)來(lái)自于2010年1月到2012年12月間一小塊天區(qū),研究人員發(fā)現(xiàn)了在宇宙微波背景中一個(gè)隨機(jī)的微弱螺旋式偏振模式。這個(gè)螺旋式偏振模被稱(chēng)為B模,它是原始宇宙中引力波的印記。并且正如宇宙學(xué)家們指出的一樣,B模也是暴漲存在的確鑿證據(jù)。

        “我們認(rèn)為,引入B??赡苁且Σǖ奈ㄒ煌緩??!惫鸫髮W(xué)宇宙學(xué)家約翰·科瓦奇(John Kovac)說(shuō)。他是BICEP項(xiàng)目的四個(gè)主要研究者之一。

        其重要性不言而喻

        根據(jù)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型,當(dāng)宇宙剛誕生之時(shí),它包含了一個(gè)與電場(chǎng)類(lèi)似的量子場(chǎng),這個(gè)量子場(chǎng)充滿了量子漲落。暴漲把這些十分微小的漲落放大成巨大尺度,并把這些漲落留在了密度、能量和物質(zhì)中。這些留在密度、能量和物質(zhì)中的漲落最終形成了我們今天所看到的宇宙結(jié)構(gòu),比如星系以及其他一切。這種漲落也在宇宙微波背景溫度中產(chǎn)生變化。通過(guò)觀測(cè)遍布全天的宇宙微波背景輻射,宇宙學(xué)家已經(jīng)確定宇宙成分包括了普通物質(zhì)、神秘的暗物質(zhì)和怪異的暗能量。

        然而,由于量子力學(xué)不僅在大爆炸中產(chǎn)生的量子場(chǎng)會(huì)不斷漲落,整個(gè)時(shí)空也在不斷地漲落。暴漲把時(shí)空中的引力波拉長(zhǎng)了數(shù)十億光年的波長(zhǎng)。這些引力波在宇宙微波背景中留下了印記,在某種程度上散射的宇宙微波背景光子產(chǎn)生了科瓦奇和他的同事所看到的極化模式。

        BICEP利用了一些其他實(shí)驗(yàn),包括歐洲空間局的普朗克探測(cè)器。普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家蘇珊娜·斯塔格斯(Suzanne Staggs)說(shuō),當(dāng)聽(tīng)到這個(gè)消息時(shí)她感到很震驚。她在智利從事阿塔卡馬B模搜索項(xiàng)目?!拔以较朐郊?dòng),因?yàn)樾盘?hào)是如此之大?!彼f(shuō)。

        科瓦奇指出,該實(shí)驗(yàn)的成功在很大程度上是得益于測(cè)量微波背景輻射極化技術(shù)的發(fā)展。用于進(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器是由加州理工學(xué)院杰米·博克(Jamie Bock)所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)建造的,該團(tuán)隊(duì)曾參與研發(fā)普朗克探測(cè)器。鑒于普朗克于2007年發(fā)射升空,“我們已經(jīng)能夠從事研發(fā)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡并不斷升級(jí)探測(cè)器?!笨仆咂嬲f(shuō)。此外,普朗克探測(cè)器搜尋整個(gè)天區(qū),而B(niǎo)ICEP的望遠(yuǎn)鏡則集中于一小塊天區(qū)。“現(xiàn)在,我們正急切地等待著普朗克數(shù)據(jù)的極化結(jié)果?!笨仆咂嬲f(shuō)。

        B模的發(fā)現(xiàn)僅僅是個(gè)開(kāi)始,研究人員說(shuō)。目前信號(hào)的強(qiáng)度告訴理論學(xué)家們?cè)谟钪姹q期間的能量密度。通過(guò)研究天空中較大和較小的B模統(tǒng)計(jì)分布,它們或許可以能拼合原始宇宙中能量和密度分布的詳細(xì)圖像。這將有助于明確一個(gè)精確的暴漲模型。

        “對(duì)我們來(lái)說(shuō),這是巨大的,其重要性不言而喻?!奔s翰·霍普金斯大學(xué)宇宙學(xué)家馬克·卡米奧庫(kù)斯基(Marc Kamionkowski)說(shuō)?!安⒉皇敲刻煸缟夏阈褋?lái)都能發(fā)現(xiàn)在宇宙大爆炸之后的10-36秒發(fā)生了什么事情?!?/p>

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