晨 風(fēng)

據(jù)《物理世界》網(wǎng)站報(bào)道，近日南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）在宇宙微波背景輻射（CMB）中探查到光線的細(xì)微彎曲，這被稱作“B模極化”。這一現(xiàn)象在科學(xué)界預(yù)言已久，此次對其存在的證實(shí)，將為最終對大爆炸宇宙學(xué)中的一項(xiàng)關(guān)鍵理論，即暴漲理論進(jìn)行驗(yàn)證鋪平道路。

查克·本內(nèi)特（Chuck Bennett）是美國約翰·霍普金斯大學(xué)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(xiàng)研究。他說：“盡管這一現(xiàn)象完全在預(yù)料之內(nèi)，但實(shí)際探測到它仍然應(yīng)被視為是利用宇宙微波背景輻射進(jìn)行宇宙學(xué)研究的一個里程碑。這是一項(xiàng)可靠的研究，我相信它得到的結(jié)果?！?/p>

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(dāng)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(tuán)的信息。對于宇宙微波背景輻射，其中最引人注目的一項(xiàng)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(chǔ)。

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(dá)我們的觀測設(shè)備，這就像是晴天太陽光線中的藍(lán)光在空氣中被大氣分子散射之后抵達(dá)我們的眼睛一樣。為了檢驗(yàn)這種說法，你可以帶上一副偏振鏡片眼鏡來進(jìn)行觀察，一樣的道理，科學(xué)家們也會使用類似的方法對宇宙微波背景輻射進(jìn)行觀察。2002年，設(shè)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(xué)家們加深對早期宇宙動力學(xué)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(qiáng)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(zhuǎn)或彎曲。B模中的大部分效應(yīng)是由星系形成的引力透鏡效應(yīng)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(dá)我們這里時進(jìn)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(dāng)于CMB溫度分布下的1/1000萬。正如加拿大麥吉爾大學(xué)的南極望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)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(yuǎn)鏡之所以能探測到B模極化，很大程度上要?dú)w功于其探測設(shè)備的改進(jìn)。盡管這項(xiàng)探測結(jié)果的應(yīng)用范圍可能很小，但它將打開實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)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(xué)家們給出中微子質(zhì)量的更嚴(yán)格限制，而這是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所無法給出的。

宇宙漣漪

然而這項(xiàng)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?？茖W(xué)家們認(rèn)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(xué)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(jié)構(gòu)。

盡管當(dāng)代的絕大部分宇宙學(xué)家都相信暴漲理論，這項(xiàng)理論卻缺乏一些重要的細(xì)節(jié)，如它是如何發(fā)生的，又是如何結(jié)束的，并且我們沒有任何手段可以去測試其真?zhèn)?。而如果能探測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(xué)宇宙學(xué)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(shí)驗(yàn)。”他說：“南極望遠(yuǎn)鏡是第一臺探測到B模的設(shè)備，目前正有另外幾臺設(shè)備正準(zhǔn)備跟進(jìn)觀測，在未來十年內(nèi)我們將最終構(gòu)建一個完整的圖景，而現(xiàn)在正是我們朝向這個目標(biāo)邁出的第一步?！?/p>

其他望遠(yuǎn)鏡設(shè)備

引力波B模可以被歐洲空間局正運(yùn)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(yuǎn)鏡旁側(cè)的另一臺望遠(yuǎn)鏡BICEP，以及坐落于智利北部的ACT望遠(yuǎn)鏡和POLARBEAR望遠(yuǎn)鏡。如果這些地基望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡做出的重大宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。1964年，美國天文學(xué)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(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射。

美國芝加哥大學(xué)南極望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目首席科學(xué)家約翰·卡爾斯托姆（John Carlstrom）說：“很多進(jìn)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(yuǎn)鏡。然而實(shí)際上，地面望遠(yuǎn)鏡，包括氣球以及短期飛行航空器都是開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目極重要的手段，一直以來都起到了非常關(guān)鍵的作用，現(xiàn)在的情況依然如此。”