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暴胀是现代宇宙学的核心。那么,为什么到现在天文学家还没有看到它的任何迹象呢?
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暴胀是现代宇宙学的核心。那么,为什么到现在天文学家还没有看到它的任何迹象呢?

2025-05-21

自彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景起,天文学家就已经知道,当其中的光子穿行于宇宙中时,位于其进行路线上的物质,例如宇宙历史早期的大尺度结构,会使得其具有“各向异性”——宇宙微波背景中微小的温度差异。在飞往地球的过程中,宇宙微波背景光子在这些结构中逗留的时间越长,它的温度看上去就越低。这一温差让天文学家能以一种全新的方式来研究宇宙,揭示了它的演化。

光以波的形式传播,就像在大洋表面运动的水。如果它们在某个特定的方向上发生振荡,这些波就具有了偏振。例如,水波会上下振荡。当地球大气中的粒子反射阳光时,地球的蓝天也就有了偏振。

同样,宇宙微波背景也会具有微小的偏振。但它的方向则是由早期宇宙中的物质来决定的。

1996年,斯洛文尼亚的理论宇宙学家、现美国加州大学伯克利分校教授乌罗什塞利亚克(Uros Seljak)在寻找新的方法来从宇宙微波背景中提取信息,他怀疑其中还隐藏着秘密。

与由星系所产生的大尺度显著影响不同,塞利亚克想要寻找宇宙微波背景中的小尺度扭曲。他提出,如果暴胀确实发生了的话,那么在剧烈的膨胀阶段会形成大量的引力波,随后它们会传遍整个宇宙。这些引力波也会扭曲宇宙微波背景中的光,产生一个标志性的旋涡形状。如果在天空中观测到了这一现象,就能为暴胀提供物理证据。

以磁场的符号,塞利亚克将这一理论上所预言的扭曲称为B模。类似于电场的偏振则被命名为E模。他的论文和其他的研究开启了探测B模偏振的热潮。

“实验物理学家非常迅速地就抓住了这个想法,”他说,“当然,他们目前还没有足够的敏感度来看到它,而为了达到现在的灵敏度则差不多花了近20年的时间。”

在探测B模的项目中,BICEP是最雄心勃勃的。它第一个达到了寻求供答案所需的的分辨率。“这是一场自1997年持续至今的比赛,现在我们终于达到了能开始取得成果的地步,”塞利亚克说。

杰米博克(Jamie Bock)是美国加州理工学院的一名实验宇宙学家。10多年前,他和其他几个物理学家一起设计并建造了BICEP。从那时起,这个团队就在南极对天空进行系统地勘测。他们的目的是测量宇宙微波背景中的B模偏振。该团对称这一信号为宇宙引力波背景。

南极的高海拔和干燥气候为进行微波观测提供了一个完美的地点,而在地球上的其他地方微波很容易就会被水蒸气吸收掉。

在探测B模的竞赛中,BICEP并不是唯一的参赛选手,但其他与之竞争的项目则做出了妥协,以确保它们也可以回答更多有关宇宙的问题。

因此,当BICEP不断在小尺度上提高其测量精度之时,其他的团队则正在从相反的方向来推进。南极望远镜(SPT)和阿塔卡马宇宙学望远镜偏振计(ACTPol)正在使用其庞大的仪器来完成对宇宙微波背景大尺度的巡天。它们的研究结果预计很快就会公布。

“我认为,进行不同的测量对这个领域来说是有益的,”博克说。

使用ACTPol、SPT和“北极熊”(POLARBEAR)——另一个位于智利阿塔卡马的宇宙微波背景偏振实验,天文学家正在使用宇宙微波背景来研究宇宙中的大尺度结构,例如早期星系。当宇宙微波背景辐射穿过一个星系团时,其光子会和星系团中的电离气体发生相互作用,进而改变了光子的波长。

高新ACTPol的首席科学家苏珊斯塔格斯(Suzanne Staggs)说:“宇宙微波背景中的每一个光子在飞往我们的过程中平均会受到50次这样的影响。”

这就可以把宇宙微波背景作为光源,天文学家可以通过研究其中的斑点来编纂出新的星系团表,其中一些的距离和大小甚至超过了此前所已知的。因此,即便这些实验没有探测到B模,天文学家也能够了解有关早期宇宙中星系演化的惊人内幕。

然而,这一效应也会干扰B模的探测。当一个有偏振的宇宙微波背景光子穿过这些星系团时,由此产生的引力透镜效应会给它增加额外的扭曲。要探测到来自暴胀的B模信号,这些效应必须要像尘埃干扰一样被去除掉。

“从我们目前所看到的来说,我个人感觉,你必须要在每一个地方都对其进行修正,”斯塔格斯说,“但这目前还做不到。随之而来的问题是这个改正有多大,以及在什么样的程度上你觉得你可以完全相信它。”

另一个与BICEP相竞争的项目是一架搭载在气球上望远镜,被称为“蜘蛛”,它高高的飘浮在会干扰观测的地球大气之上。这个项目包含了来自BICEP、SPT和其他项目的成员。2015年1月,它在南极上空收集了宇宙微波背景的数据。

2016年的第二次飞行将会在地面也能观测的频率上来进行,以便进行比较。该团队预计也将很快公布其结果。

对于BICEP来说,引力透镜信号已经与其仪器噪声在相同的水平上。这表明在冲向暴胀的竞赛中该团队占据了优势——他们的仪器最灵敏。“现在我们就在这个突破点上,”博克说。

第一代的BICEP是一个仅使用了98个探测器的阵列。但到2015年开始观测的时候,这个数字已增长到2 560个,使BICEP具有了惊人的集光能力。

不过,需要指出的是,没有人能确保B模就一定会真的存在。这是BICEP必须要冒的真正风险。它把赌注全压在了最流行的林德的混沌暴胀理论上,来探测由它所预言的原初B模。

因此,当BICEP2在2014年看到B模在天空中是如此的强时,甚至博克自己都感到很惊讶。宇宙学家使用比值r来度量这一信号,它表征的是在早期宇宙中引力波相较于密度变化的对比度。简单来说,r代表着暴胀的强度。BICEP测得的r值为0.2,大约是预言的2倍。这一强度被视为是对林德的混沌暴胀模型的支持。在这一发现被公布之后,整个暴胀理论界都开始庆祝。

然而,对此的首批科学质疑之一便来自B模的命名者——塞利亚克本人。

“和其他人一样,我也对BICEP的结果感到兴奋,我们都在庆祝,”他说,“随后,我开始查看那些在普朗克探测器会议的论文集中已经公布的结果。”

塞利亚克发现,BICEP团队在与普朗克探测器的结果进行比较时,使用了过时的数据。当把普朗克探测器的新结果带入之后,探测到来自银河系之外B模信号的置信度便消失了。

“我们问了一个很简单的问题:BICEP的信号是否有可能来自尘埃?”塞利亚克说,“对这个问题的分析显示,这些信号完全可以用尘埃来解释。”

“实际上,这一结果之后变得越来越没有说服力,”他补充道。“BICEP和普朗克探测器之间的联合分析表明仅有存在B模的一丝迹象,而现在即便是这个迹象也消失了。”

随之而去的还有对混沌暴胀理论的支持。但BICEP团队仍在搜寻天空,将他们的目光放在95千兆赫的频率上,在这个波段上他们的仪器对宇宙微波背景会比对尘埃更加的敏感。一旦他们把这些测量结果和此前的归总到一起,应该可以把他们的测量误差减小到之前的1/2,进而澄清暴胀的信号是否真的存在。

BICEP的最新数据已于2016年1月底公布,支持了此前信号来自尘埃的论断,并进一步调低了r的上限(r<0.09)。博克说,未来几年应该会看到暴胀所预言的最常见信号是否能被探测到,r值的上限预期将会被进一步的压缩。

“如果没有探测到信号,也同样是吸引人的,”博克说。也就是说,如果仪器什么都没有发现,那么理论家将不得不回到原点,思考一下我们对暴胀的理解可能出现了什么问题。

从塞利亚克的角度来看,暴胀理论是有生命力的。它对宇宙的解释极具价值。然而,塞利亚克也认为,搜寻时间之始的B模竞赛已经排除了某些特定版本的暴胀——值得注意的是,其中不乏见于今天大多数教科书中的。“不管怎么说,暴胀是一个非常有说服力的理论,”他说,“它有许多已经被证实的东西。”

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