探索早期宇宙的竞赛

[ 录入者:champagnecat | 时间:2017-01-02 20:01:43 | 作者:京晶译 | 来源: | 浏览:1500次 ]

原文标题:The race to cosmic dawn

作者:Eric Betz 原文来自:Astronomy   Posted:2016年3月刊

编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

 

BICEP/凯克天线阵和南极点望远镜的本部——黑暗领域实验室正在寻找被银河系尘埃掩盖的原初引力波信号。(图片来源:STEFFEN RICHTER/HARVARD UNIVERSITY(BICEP)ESA AND THE PLANCK COLLABORATION(POLARIZATION))

 

在麻省理工学院(简称MIT)的礼堂里,Alan Guth在兴奋的宇宙学家之间穿梭,往他们的杯子里倒入冒着气泡的苹果酒。然后,他和Andrei Linde(暴胀理论之父)一起高举手中的酒杯,为科学的力量干杯。他们提出的那个疯狂理论,如今终于有了物理实证。毫无疑问,随之而来的似乎就是一枚诺贝尔奖章了。“时空涟漪揭示出宇宙大爆炸的确凿证据,”2014年3月18日刊发的《纽约时报》封面写着这样的标题。哈佛大学、斯坦福大学,还有世界各地的大学纷纷报道参与了此项研究的本机构的科学家们。

两位暴胀理论之父——Andrei Linde(左)和Alan Guth(右)为2014年发现B模信号而举杯庆贺。(图片来源:STEFFEN RICHTER)

矗立在南极大陆上的一台望远镜——BICEP/凯克天线阵在宇宙微波背景辐射(宇宙发出的第一束光,简称CMB)中发现一个明显的涡旋特征。科学家认为,这些叫做B模的极化信号是宇宙暴胀的确切信号。而正是暴胀触发了宇宙大爆炸。

在BICEP团队举行的发布会上,信号的发现者之一、明尼苏达大学的Clem Pryke说:“这就像在干草堆里找一根针,结果却找到了一根撬棍”。

几十年来,暴胀理论虽然被普遍接受,但却从未被证实过。该理论认为,我们的宇宙在10的36次方分之一秒里,从亚原子大小极速膨胀成一粒葡萄那么大。

开庆祝会那天,MIT著名的数学家和宇宙学家Max Tegmark也在礼堂。他把宇宙暴胀与孕妇肚子里的胎儿做了一个比较。

“如果胎儿的个头每天增大一倍,九个月以后,胎儿将使母亲倍感折磨。而宇宙就是这样长大着。”他说。

暴胀理论指出,这种如奇迹般的超光速增长引出了宇宙大爆炸。(Tegmark喜欢把大爆炸想成是 “冷冰冰地、嗖一声地膨胀”。)宇宙的剧烈膨胀带来了长达138亿年的演化——从夸克演化至原子、恒星、行星——甚至生命。

广受赞誉的宇宙学家Guth和Linde最先对暴胀给出了理论描述。1979年,Guth尝试用优美的数学模型解释磁单极子的缺失问题。这种奇异的粒子应该是宇宙大爆炸的产物。Guth发现,这些粒子并没有缺失,只不过由于暴胀使宇宙的个头快速变大,降低了它们的密度。

不过,暴胀带来的结果还不止于此。正如Guth乐于指出的,宇宙大爆炸理论并不真的只是关于爆炸的理论。它还描述了爆炸的后果,虽然缺少爆炸的物理过程,也没说是什么爆炸了、以及为什么爆炸。

他在这个问题上耗费了半年时间,终于在一个漫长的不眠之夜有了“惊人的领悟”(他在学术论文中就是这样称呼这个理论的)。

Guth的理论具体描述了爆炸过程。该理论认为,时空在一开始便受到向外的压力——与引力抗衡的反向作用力。这个力在一瞬间向外推,使宇宙呈指数式增长,片刻之间,膨胀速度甚至超过了光速。

尽管如此,Guth的暴胀理论还不够完善。它无法解释宇宙如何持续地以我们今天所见的方式膨胀。在他的暴胀模型中,宇宙是互相碰撞、合并,并且无边无际的宇宙泡混合物。暴胀理论还需要Linde的帮助。Guth的模型囊括了宇宙的全部内容,不过在1981年,Linde计算出了时空中任一点的膨胀速度。他建立的模型称为随机暴胀。在这个模型里,我们的宇宙只是无限多维宇宙中的一个。

自那以后的35年里,暴胀理论也常被用来解释其它有趣的宇宙特性。它比其它理论都要好,可以解释时空为什么是平坦的,宇宙中相隔遥远的两部分为什么彼此相似。这个理论还能重建宇宙的大尺度结构。

简而言之,没有暴胀理论,宇宙的物理图景就不完整。标准宇宙模型就没有了开端。

 

大爆炸之后的宇宙演化史:在10的-32次方秒,暴胀出现量子起伏。在1秒时,物质与光子频繁碰撞。在100秒时,宇宙膨胀降低了碰撞的频率。在38万年,光子可以自由飞行,形成宇宙微波背景辐射。

3亿至5亿年,宇宙中一片黑暗。恒星和星系还没有形成。不到10亿年,第一缕星光分解了原子结构,造成了宇宙的再电离。138亿年,光子和电子现在又发生相互作用。经过几十亿年的演化,宇宙结构形成了。未来,宇宙一直加速膨胀,最终以冷寂告终。(图片来源:ASTRONOMY:ROEN KELLY; AFTER ESA)

 

尘埃落定之后

但是,怎样证实如此标新立异的理论呢?理论学家预言,这种指数式增长会留下可辨识的信号——巨大的引力波。这些引力波能够扭曲光的传播路径,产生B模极化信号。

可是,虽然Guth和Linde为BICEP团队发现B模信号举杯相庆,怀疑却正在天文学界内慢慢地酝酿。有些理论学家注意到极化信号的强度比预测值高出很多。另一些人则对BICEP团队还没把结果交给同行评审就在新闻发布会上公之于众的做法提出质疑。

 “迅速出现的批评主要针对BICEP团队能否区分CMB信号和尘埃产生的信号,”加州大学伯克利分校的天文学家、同时也是欧洲空间局普朗克卫星项目科学家之一的Martin White说。这份怀疑后来得到了证实。普朗克卫星以较低的分辨率对更大面积的天区进行观测,最终表明BICEP团队探测到的信号其绝大部分是银河系里的尘埃产生的干扰信号。而且不走运的是,全天绝大部分区域都被这个邻近的前景信号污染了。

如今,距离各国媒体争相报道发现引力波极化信号已经过去两年时间,科学家也确信BICEP团队真正看到的是尘埃,而不是暴胀。不过,去掉尘埃产生的干扰信号,剩余的信号是什么还有待确定。早期宇宙的B模信号会不会就藏在其中?

寻找暴胀首个证据的竞赛正在升温。目前,至少有八台仪器正在搜寻宇宙大爆炸遗留下的呢喃低语。想要找到它们,宇宙学家先要找出所有的障碍物。

 

大爆炸的余烬

BICEP团队并不是第一个被宇宙微波背景辐射里的信号打败的。1964年,贝尔实验室的科学家Arno Penzias和Robert Wilson在新泽西使用灵敏的角形天线展开射电天文研究。他们注意到有一个微弱的噪声弥漫全天,怎么都去不掉。

两个人最后排除了地球上的各种干扰源,以及太阳,甚至银河系的影响。这个信号来自于天空各处。

他们并不知道,就在离他们不远的普林斯顿,一个由天体物理学家组成的研究团队,在Robert Dicke的带领下,正在准备寻找Penzias和Wilson已经发现的信号。

那时距离Vesto Slipher和爱德温·哈勃发现宇宙正在膨胀已经过去了几十年,但有关大爆炸的争论仍在激烈地进行着。经过简单地反推,天文学家意识到,整个宇宙在过去某一时刻会并合在一起。

与前辈们一样,Dicke的团队从理论上证明,大爆炸在促使宇宙膨胀时,也在宇宙各处留下了微波辐射。令人难以置信的是,他们预言的辐射与角形天线探测到的信号十分符合。两个团队同时发表了他们的发现。Penzias和Wilson的偶然发现为他们赢得了1978年的诺贝尔奖。如今,CMB已经成了大爆炸宇宙学的坚实支柱。

自那以后的几十年里,科学家们认识到CMB遍布宇宙各处,以大致相同的亮度向各个方向传播。

在大爆炸后38万年,宇宙冷却至大约3000开,并且变透明,CMB光子就是那个时期留下的遗迹。而在那之前,宇宙就像稠密的粒子汤,自由运动的电子和质子无法结合成氢(宇宙的主要组成物质)。

宇宙学家把这个时期叫做再复合时期,从那以后,光子便可以在空间里自由飞行了。所以,天文学家今天看到的每一个CMB光子都来自于近140亿年前它和电子发生最后一次碰撞的地方。

 “我们绘制的CMB亮度分布图显示,光子来自于各个方向。不过,如果你再等上10亿年的话,辐射依旧来自于各个方向。”戈达德空间飞行中心的宇宙学家、2006年诺贝尔奖获得者John Mather说。

这种均匀性也被认为是暴胀的结果。在宇宙诞生后的第10的-34次方秒,炽热的电离气体充斥在宇宙各处,其中的团块已经被暴胀引起的快速膨胀给抹平了。

不过,微小的量子起伏——幅度约为十万分之一——形成了密度略有差异的区域。在引力的作用下,密度高的区域吸引越来越多的物质。

它们,也即CMB亮度分布图中的斑点,就是形成星系和星系团的“种子”。

自从Penzias和Wilson发现CMB以来,天文学家已经知道“各向异性”——CMB的微小温度起伏——是CMB光子在传播时遇到障碍物(例如早期宇宙的大尺度结构)形成的。CMB光子需要多花一点时间才能摆脱这些路障,所以它们的温度偏低一些。这些温度差异帮助天文学家以全新的方式研究宇宙,揭示宇宙的演化历史。

光像海浪一样,以波的形式传播。如果光波沿某一个方向振动,物理学家就称它是极化的。例如波浪的上下波动。地球大气层中的粒子反射太阳光,形成了我们日常看见的蓝天,被反射的太阳光也是极化的。

同样地,CMB也有轻微的极化。只不过,它的极化方向是由早期宇宙的物质组成决定的。

 

当宇宙微波背景辐射(宇宙的第一束光)在早期与电子碰撞时发生极化,使得光子在某一个方向有微小振动。这一扭曲图样可以告诉天文学家早期宇宙的物质分布情况。(图片来源:ESA AND THE PLANCK COLLABORATION)

 

计算扭曲

1996年,斯洛文尼亚的理论宇宙学家Uros Seljak(现在是加州大学伯克利分校的教授)正在寻找从CMB中提取信息的新方法。他怀疑这个背景辐射仍藏有秘密。

除了星系在大尺度上产生的明显扰动外,Seljak猜测能否在CMB中找到小尺度扰动。通过理论研究,他发现如果暴胀真的发生过,剧烈的膨胀会产生巨大的引力波,这些波随后在宇宙中荡漾开去。引力波还会扭曲CMB光子,使后者产生一个特征旋度。如果观测者能够在CMB中看到这个旋度场,那就是暴胀发生过的物理证据了。

Seljak用代表磁场的符号B把这些理论预言的扭曲称作B模信号。他还把电场的极化信号命名为E模信号。他的论文及其它研究成果带动起一波寻找B模信号的观测浪潮。

 “科学实验者确实很快就抓住了这个想法,”他说。“但是,当时的仪器还没有足够的灵敏度去探测这个信号。他们花了将近20年时间,才达到了需要的灵敏度。”

在捕捉B模信号的观测项目中,数BICEP最是雄心勃勃。它也是第一个具有观测所需灵敏度的仪器。“自1997年起,搜寻竞赛就开始了,现在,我们终于达到了可以有科学产出的水平,” Seljak说。

Jamie Bock是帕萨迪纳市加州理工学院的一位实验宇宙学家。十多年前,他和一群物理学家帮助设计和建造了BICEP。

这个团队随后对南极上空的天区进行了系统的测绘。他们的目标是测量CMB中B模信号的极化强度。他们称之为宇宙引力波背景。

由于纬度高、气候干燥,南极大陆比地球上其它任何地方都更能吸收水汽,因此成为了观测微波辐射的理想地点。

 

遗留的辐射

在B模信号的搜寻中,BICEP并不孤单,只是与之竞赛的其它仪器为了确保同时也能为更多的宇宙疑问提供解答而有所妥协。

所以,当BICEP致力于展开更精细的测量时,其他团队则朝相反的方向努力。南极点望远镜(South Pole Telescope,简称SPT)和阿塔卡玛宇宙学望远镜(Atacama Cosmology Telescope,简称ACTPol)正在使用其庞大的仪器完成大规模的CMB巡天观测。

他们的观测结果很快就会公布。“我想,这些不同的测量结果对这个研究领域很有益处,”Bock说。

ACTPol、SPT和POLARBEAR——在阿塔卡玛荒漠展开的另一个CMB极化探测实验,天文学家正在用CMB来研究宇宙的大尺度结构,例如早期星系。当CMB光子从星系团中穿过,它们与星系团里的电离气体发生相互作用而改变了波长。“每一个来到我们跟前的CMB光子在这一路上平均要偏折50次,” 高新ACTPol 项目负责人Suzanne Staggs说。

这使CMB成了背景光,天文学家能够根据其上的光斑为新星系团编制目录——其中一些星系团比已知的星系团还要遥远,并且更大。因此,即使天文学家找不到B模信号,他们也已经了解到早期宇宙中星系演化的惊人内幕。

然而,这也使B模信号的探测工作变得复杂。当极化的CMB光子穿过这些星系团时,引力透镜效应又使之发生偏折。为了获得暴胀产生的B模信号,必须像去掉尘埃信号一样,把这个信号也扣除。

当宇宙微波背景辐射穿过时空时,像星系团这样的大尺度结构会偏折光子的传播路径。这种“引力透镜”效应给微波背景辐射增添了微小的扰动,有助于我们了解宇宙的演化,但是,它们也使观测暴胀信号变得更加困难。(图片来源:ESA AND THE PLANCK COLLABORATION

 

“从目前了解到的情况看,在我看来,我们必须在任一个天区都做这个扣除,”Staggs说。“但我们还没这么做过。那么,随之而来的问题就是扣除它有多困难?我们能否把它完全扣除干净。”

另一个争着寻找B模信号的项目(其成员实际上来自BICEP、SPT和其它同类项目)是一个名叫Spider的球载望远镜。它可以飞到高空,避开大部分地球大气的干扰。2015年1月,它从南极上空飞过,采集CMB数据。

第二次飞行在2016年进行,它在地面望远镜的工作频段采集信号,以便互相比较结果。这个项目团队也很快就会公布他们的发现。

对BICEP来说,引力透镜产生的信号与他们的仪器噪音大小差不多。不过,这给了团队在竞赛中获胜的优势——因为他们的仪器是最灵敏的。“现在,我们正处在那个突破点,”Bock说。

 

消退的暗示

BICEP的第一代仪器采用了一个只有98台探测器组成的阵列。不过,到了2015年的观测季,探测器的数目已经增加到2560个,这使BICEP拥有了卓越的采光能力。

然而,从来都没有任何担保保证B模信号一定存在。那是BICEP面对的真正风险。BICEP押上了全部赌注,认为原初B模信号就像Linde的随机暴胀理论(最流行的暴胀理论)所预言的那样存在。

所以,当2014年BICEP2在全天范围内看见了明亮的B模信号,连Bock也感到惊讶。宇宙学家用引力波与早期宇宙密度起伏的比值r来衡量信号的强度。简言之,r描述了暴胀的强度。BICEP观测得到的r值为0.2——大约是预言值的两倍。这个强度被视作是支持了Linde的随机暴胀模型。这一发现公布后,宇宙学界响起一片欢呼声。

不过,第一批提出质疑的科学家中就有Seljak自己,而正是他给B模信号起了这个名字。“我和其他人一样,对BICEP的结果感到非常兴奋,我们都在庆祝,”他说。“后来,我开始研究普朗克卫星在其会议文集中已经公布的同类结果。”

Seljak注意到BICEP团队在作比较时使用的是过时的信息。使用普朗克卫星的新结果后, BICEP观测到的信号是宇宙B模信号的可能性降低了。

“我们提出了一个非常简单的问题:假使BICEP看到的信号是尘埃产生的,将会怎样?”Seljak说。“分析指出这个信号完全可以用尘埃来解释。”

 “实际上,结果变得越来越不可信,”他补充道。“对BICEP和普朗克卫星的结果做的联合分析显示,信号还是有可能是B模信号的,但现在,连这点可能性也没有了。”

消失的信号也把对随机暴胀的支持一并带走了。不过,BICEP团队仍在搜索着天空。他们在95千兆赫频段盯着一块天区观测。在那块天区,比起尘埃来,仪器对CMB更敏感。一旦他们把这个天区的观测结果加到现有的结果中去,测量误差将会减小2倍,而且可以弄清是否有暴胀信号。

BICEP已经在2016年公布了最新的观测结果。Bock说,在未来几年我们将会看到普遍预言的暴胀信号能否被探测到。他们将消除r的预言值。

“如果没找到B模信号,也是很有意思的事,”Bock说。也就是说,如果仪器没找到什么,理论家将不得不返回头,解释我们对暴胀的理解在什么地方可能出错了。

在Seljak看来,暴胀理论在短期内不会被抛弃。它在解释宇宙方面有巨大的价值。尽管如此,Seljak也说,寻找早期宇宙B模信号的竞赛已经排除了某些暴胀理论——尤其是现在绝大部分教科书里写的那个。“无论如何,暴胀理论是非常有说服力的理论,”他说。“它已经有那么多预言都得到了证实。”

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