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宇宙诞生瞬间的样子 南极望远镜观测到神奇景象

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发表于 2016-11-21 21:48:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
  宇宙诞生瞬间 南极望远镜观测到神奇景象:对于窥探宇宙初生的第一刻而言,地球上最荒凉的地方堪称完美。
  它是地球上最大的望远镜之一,但相对于广袤的南极而言,看起来仍非常得小。在这个令人眼花缭乱的白色冰雪世界里,12月的太阳永不下落,很难判断距离。当我们的小履带车停在它旁边时,南极望远镜口径10米的天线的真实大小才变得明显。

  没有人会从距这儿仅几百米之遥的美国阿蒙森-斯科特南极站步行到此。尽管接近-40°C的寒风在南极站的科考队员看来已经算温和的了,但当我脱掉手套抓拍一些照片时我的手指很快就麻木了。虽然我戴着护目镜,覆盖了我的半张脸,但被风吹出的眼泪依然凝固在我的眼皮上。

  美国芝加哥大学的资深科学家布拉德·本森(Brad Benson)似乎并不在意世界底端这片贫瘠之地的极寒和偏僻。毕竟,在科考站里有音乐室、酒吧、甚至桑拿——也许是南极大陆上最热的地方。尽管如此,本森的热情主要源于他的工作。他和他的同事们都热衷于追寻宇宙学中的一次革命性突破。使用一年前安装到这架望远镜上的灵敏照相机,他们希望能找到宇宙诞生后一万亿万亿万亿分之一秒的线索。如果为此需要付出一些代价,那来到南极就是。“南极是地球上做这方面研究最好的地方,”本森边擦他胡子上的冰晶边说。


  新生的宇宙具有令人难以置信的高密、高温且充满了高能辐射。随着宇宙的膨胀和冷却,这些辐射的能量会被稀释,波长会被拉长,直到近140亿年后,除了无所不在的微波辐射什么也没留下。对于宇宙学家来说,研究这一宇宙微波背景辐射(CMB)——常又被称为“创世余辉”——是破译宇宙婴儿期和后续演化的最佳途径。例如,于20世纪90年首次通过空间任务发现的CMB中温度的微小变化揭示出了原初物质中密度涨落的存在,由它们生长出了今天我们在宇宙中所看到的星系团和巨洞。

  南极望远镜建于6年前,旨在详细地研究CMB。然而,虽然南极望远镜和其他设备对CMB的观测可以给予我们一幅宇宙在大爆炸后38万年时的动人画卷,但它们无法进一步向前回溯。在更早的时候,空间中充满了由炽热的带电粒子所组成的等离子体,它们会不断地吸收和再发射光子,这意味着光根本无法逃逸。只有当温度最终下降到足够低,这些粒子可以结合成中性原子时,辐射才能自由地穿行于宇宙中。因此,我们可以获得一张宇宙在变得透明时的婴儿照片,但我们却没有捕捉到它诞生的瞬间。

  本森说,可惜的是理论告诉我们,那些令人兴奋的事情都发生在这些稍纵即逝的瞬间。根据宇宙暴胀假说,在具有负压的神秘真空能的驱使下,当宇宙只有约10^{-36}秒时,它开始指数式膨胀。在远远不足一秒的时间里,可观测宇宙从不到一个原子膨胀到了一个柚子的大小。幸运的是,暴胀在宇宙年龄为10-33秒时戛然而止,转而进入更平和的膨胀形式,令星系、恒星和行星得以在之后形成。

  暴胀是一个流行的观点,得到了量子物理学的支持并在一定程度上得到了欧洲空间局普朗克探测器和美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器的佐证。它可以解决宇宙学中许多恼人的问题。例如,它把早期宇宙中的密度变化解释为微小量子涨落的“放大”。它甚至还有可能与今天使得宇宙加速膨胀的奇特暗能量有关。


宇宙诞生瞬间 南极望远镜观测到神奇景象

宇宙诞生瞬间 南极望远镜观测到神奇景象

  [图片说明]:南极望远镜。版权:Daniel Luong-Van。


  穿透黑暗


  即便如此,我们对暴胀本质的认识仍少得可怜。尽管已经提出了许多不同的模型,但天文学家们甚至都还无法完全确定究竟发生了什么。在无法从头到尾回溯暴胀阶段的情况下,甄别哪个模型是正确的似乎是不可能的。

  但也许还有一个方法。在过去的十年中,宇宙学家开始意识到,暴胀的突然停止必定会产生时空涟漪,即引力波。爱因斯坦的广义相对论预言了它的存在。与辐射不同,这些原初引力波可以穿行于高温的早期宇宙中,因此其频率和功率可以告诉我们在暴胀停止时宇宙处于什么样的状态。

  原初引力波太过微弱无法被已有的探测装置检测到,例如位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个激光干涉引力波天文台,它们针对的是两个黑洞或中子星碰撞所发出的引力波。然而,这些原初引力波应该会在CMB中留下印迹。探测并了解这一印迹也许能让我们来区分不同的暴胀模型。

  这也正是为什么本森对他团队的新相机——南极望远镜偏振计(SPTpol)——是如此兴奋的原因。它被设计来精细地测量CMB辐射中的偏振。和阳光经湖面或路面反射后会发生偏振一样,CMB辐射在穿行于宇宙中时会因被电子散射而出现偏振。根据预言,引力波会微小地改变这一偏振的模式。当这些涟漪在时空中传播时,它们会以一种独特的方式来使得电子发生位移,由此在CMB中留下它们的印迹(见图)。

  探测这一印迹极为困难——有点像在一场摇滚音乐会期间寻找一只蟋蟀的声音。原初引力波产生的微弱偏振信号会淹没在早期宇宙中更强得多的密度涨落中。后者于2002年由同在南极的角尺度干涉仪望远镜首次发现。本森说,没有人知道探测由引力波造成偏振模式会有多困难。“这是一个微妙的效应,”南极望远镜的首席研究员约翰·卡尔斯特罗姆(John Carlstrom)说。到目前为止,南极的另一架望远镜宇宙河外偏振背景成像(BICEP)实验在2006年和2007年获得了引力波偏振的最好上限。


  高而干燥


  为什么这么多的CMB望远镜都选择建在地球上这个最偏远和最荒凉的地方呢?为了观察宇宙微波辐射,你需要高海拔和干燥的空气。大气中的水蒸气会吸收微波——同样的原理使得你可以用微波炉来加热一杯水。于是,你不可能在海平面上观测到CMB,因为在你望远镜上方的大气中饱含了水。即便在高山之巅,你也需要真正干燥的空气。南极的海拔高度为2,830米,空气极度干燥,这一点对每一位到访者而言都是显而易见的。有时,我会觉得呼吸困难,爬一段楼梯都有点费劲。一天下来,我的嘴唇感觉就像羊皮纸。

  其实这也不算什么。微波背景各向异性阵列(AMiBA)位于美国夏威夷冒纳罗亚火山的斜坡上,海拔约3,400米。智利的阿塔卡玛沙漠条件也特别好——至少对望远镜而言如此。自2012年以来,旨在测量CMB偏振的“北极熊”(Polarbear)实验已经安营在海拔5,200米的托哥山顶附近。2013年底,附近的阿塔卡马宇宙学望远镜的偏振计(ACTPol)也会加入这一行列。帮助研发南极和阿塔卡马望远镜上探测器、现在任职于阿塔卡玛团队的美国康奈尔大学的迈克·尼麦克(Mike Niemack)说,它们将对CMB的偏振进行最灵敏的测量。

  尼麦克说,这两个队之间的竞争是激烈的,但也是友好的。而且它也不会止步于目前这一代的偏振计。SPTPol团队已经在制造一台新的更先进的偏振计,灵敏度将会是其前身的十倍。同时,尼麦克和他的合作者则正在设计一个更先进的ACTPol。灵敏度、角分辨率、频段和视场都在追踪暴胀难以捉摸的偏振印迹上发挥着作用。“我们还不知道这个信号的强度。这是探索性的科学,”美国普林斯顿大学的戴维·斯珀格尔(David Spergel)说。

  在这样一个风口浪尖上,许多团队都在追寻同一个宝藏。例如,自2009年发射以来“普朗克”一直在以前所未有的精细程度勘测CMB。2013年3月,其团队公布了有史以来最精细的CMB全天分布图。他们目前仍正在在分析其偏振计测量的结果。“我们计划在大约一年后公布第一批偏振数据,”位于荷兰诺德韦克的欧洲空间研究和技术中心的“普朗克”项目科学家扬·陶博(Jan Tauber)说。他希望“普朗克”能第一个探测到由暴胀引力波产生的偏振信号。

  但普朗克的探测器并不比地面上的更灵敏,无法观测到到最小尺度的特征。这给了其他CMB偏振实验挑头的机会。而它们有很多。
  其中几个正在高海拔地区运转。其他的近来则借由气球高高地飞翔在南极、澳大利亚和美国新墨西哥州的上空。从2009年起BICEP-2就已在南极的一架小望远镜上开始工作,而EBEX探测器则在2013年1月份刚完成了在南极上空为期25天的气球飞行。

  然而,有更多的实验正在计划中。“我可以肯定的是,在未来几年中会取得很多的进展,”斯珀格尔说。他相信,通过CMB偏振确认宇宙暴胀将会获得诺贝尔物理学奖。
  而且谁知道呢,也许这些测量数据可能已经被采集到了——如果不是由SPTPol或“普朗克”,就是由BICEP-2或EBEX。“我们计划今年公布初步的结果,”BICEP-2团队成员杰米·博克(Jamie Bock)说,“但我们仍在分析三年更强有力的数据。”这些分析涉及到校准,即了解仪器是如何处理信号和噪声的并对系统误差进行研究。“这并非易事,”博克说,“你必须对每一个细节都谨小慎微。”

  博克声称BICEP-2的灵敏度已经达到了“有趣的水平”。但他并没有对该团队是否已经发现了任何暴胀的迹象表态:“我不能说,如果我可以,我也不能告诉你。”
  目前,这个领域是敞开的。“我们不知道原初引力波会在什么程度上导致CMB偏振,”领导EBEX团队的绍尔·哈纳尼(Shaul Hanany)说,“所以我们也不知道谁将会第一个探测到这个信号。不过也许两年之内就会出结果。”EBEX在飞行过程中其调节1.5米望远镜指向的电机出现了故障,但这对最终结果的影响尚有待确定。

  见证像本森这样的科学家离开他们舒适的家在世界的底部过上几个月的简朴生活,能让你意识到他们对寻求暴胀确凿证据的坚定追求。但这并不一定会成功。卡尔斯特罗姆说,如果原初引力波不够强,那表明其存在偏振模式“可能就永远也无法被发现”。他补充说,这并不是说暴胀没发生过。“基于偏振测量,你永远无法否定暴胀。”
  宇宙学家们并没有对这一前景心灰意冷。即使在一定的水平上什么也没看到也能让他们排除一大类不同的暴胀模型。斯珀格尔说:“这就是进步。”

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