早期宇宙膨胀直接证据为宇宙研究打开突破

大爆炸留下的辐射可能成为解开早期宇宙最大谜团的钥匙。天文学家决心利用这一“天赋”探索更多的宇宙奥秘。

南极BICEP2望远镜照片:斯特芬·里克特

大约50年前，人类第一次探测到大爆炸的“晚霞”，宇宙微波背景(CMB)，这是一种由长波长光子组成的暗淡光。3月17日，天文学家声称位于南极的微波探测器BICEP2首次记录了“B模式”信号。这种信号是一种涡流数据，很难在CMB中捕捉到，是早期宇宙的印记。大爆炸理论认为，爆炸后会立即产生大量的辐射，辐射会产生引力波，扩散到整个宇宙。这次探测到的B模式信号是宇宙时空结构中引力波的直接证据。

现在的关键问题是:这次检测到的B模式信号是真的吗？如果结果如大多数领域的专家所认为的那样是肯定的，那么将会出现许多更广泛和更精确的测量方法，并且B模式天文学研究将进入一个新的时代。科学家希望通过研究B模式信号来发现大爆炸后星系是如何形成和聚集的，并对宇宙的原始形状有更深的理解。随着B模式信号研究的进展，许多原本神秘的因素，如控制宇宙形状和命运的暗物质和暗能量，也将一个接一个地揭示它们的秘密。

英国剑桥大学的宇宙学家乔治·埃夫斯塔西奥说:“宇宙微波束是我们研究早期宇宙的最佳突破。”然而，仅仅用B模型来研究早期宇宙是不够的。这次探测到的信号是有限的，而且各种正在进行的研究之间没有很好的协调。此外，可供研究的手段有限。

研究的早期阶段

发现B模式信号纯粹是一个“愉快的事故”。1964年3月20日，新泽西霍姆斯贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在绘制银河系无线电发射图时注意到一个微弱的信号，这个信号似乎来自四面八方。起初，他们认为这是当地人类活动的产物。直到他们与同事交流，他们才相信它来自宇宙。

对于B模式信号，大爆炸理论早就预测到了。这一发现是强有力的证据，支持宇宙并非一直存在或保持不变，而是在某个时刻由一次大爆炸形成的理论。彭齐亚斯和威尔逊的发现证明了宇宙的温度曾经比今天高得多。他们记录的光子是在大爆炸后38万年释放的——当时膨胀的宇宙已经冷却到足以将电子和质子结合形成氢原子。光子在宇宙中不停穿梭，它完美地保存了释放时记录的“宇宙碎片”。

1990年，美国国家航空航天局发射的空间背景探测卫星(COBE)第一次精确地测量出宇宙飞船的温度为2.725开尔文，并证明从任何方向测量的结果都是相同的。这表明原始等离子体具有一致的特性。

但是科学家们很快证明了慢粒的分布是不均匀的。1992年，COBE的科学家发现，随着宇宙的膨胀，CMB的温差约为十万分之一。这个微小的“各向异性”包含了关于宇宙演化的重要信息。当光子被释放时，它们将在CMB中形成“热点”和“冷点”，代表不同区域气体密度的微小差异。大多数宇宙学家认为这种差异的形成受到重力的影响。在重力的作用下，宇宙中气体密度较高的区域将开始聚集并形成星系。

“各向异性”的发现也启发了理论家，从而提高了人们对资本市场的认识。科学家们认为，宇宙中大量的压力波和密度波决定了宇宙中“热点”和“冷点”的大小。随着宇宙的膨胀，这两种波动的频率有高有低，就像小提琴的和声回声一样。

天文学家可以通过研究CMB中两种波动的主频或声峰值来推断宇宙的许多物理特征。例如，最大声音峰值波动约为1度，相当于月球直径的2倍。这与理论上的推测完全相同，证明了膨胀的宇宙是一个几何平面，所以穿梭于宇宙中的平行光线永远不会相交。此外，第二个最大峰值的波动约为0.4度。天文学家推测，原子、行星和恒星等普通物质的总质量不到整个宇宙总质量的5%，其余95%的物质是看不见的暗物质和暗能量。

极化现象

十年前，科学家开发了一种对光子偏振高度敏感的探测器。此后，招商银行的研究进入了一个新的阶段。极化现象是由宇宙等离子体中的光子散射*移动的电子引起的，而测量这种现象最有可能的方法是B模式。科学家认为，通过研究模式b可以找到直接的证据:宇宙在最初的10-36~10-32秒左右经历了极其强烈的辐射。

理论家在20世纪80年代早期提出了一个想法，来解释为什么宇宙作为一个整体呈现出一个平滑的几何平面。他们相信宇宙的快速膨胀会驱逐掉大多数不规则的物质，并使所有弯曲的物质变平。剩余的几个不规则物质表现为宇宙磁场中的温度各向异性，这可以极大地放大宇宙能量中原本微小的量子涨落。

然而，以上都是理论假设，研究人员必须有能力测量B模式来证明它。这要求他们找到一种方法来识别微弱的信号，这些信号很容易被宇宙尘埃和星系磁场释放的极化物质所隐藏。这次由BICEP2探测器探测到的B模式信号的幅度约为1度，这足以避免星系磁场的干扰。研究人员可以探索一些基本的偏振模式，比如膨胀的引力波。BICEP2的探测结果激发了整个宇宙圈，但也带来了新的疑问:BICEP2探测到的偏振模的强度大大超过了任何宇宙模型的预测。

在未来几年中，将在南极洲和智利共进行六次实验，具体是为了确认BICEP2检测结果的真实性。此外，普朗克卫星研究数据将于今年秋季发布，包括新绘制的偏振图。宇宙学家有更高的期望，因为普朗克卫星比陆基探测器有更大的探测范围。后者只能探测不被空气中水蒸气吸收的窄带辐射频率，相比之下，普朗克的超强探测能力可以为天文学家提供“一体化”的视角。如果普朗克卫星证明BICEP2的发现是真的，那么整个学术界都会陶醉其中。如果结果不理想，宇宙学家必须给出合理的解释，这将是一个困难的挑战。

下一代实验

在“纠缠”BICEP2检测结果的同时，研究CMB的科学家也在致力于提高他们测量B模式的能力。例如，目前有许多理论用于精确测量辐射，每一种理论都对引力波在宇宙中的分布做出了具体的推测。掌握测量B模式的方法有助于天文学家整理和排除明显错误的理论。

此外，B模型还与宇宙中的质量分布和星系的聚集模式密切相关。科学家可以通过研究B模式信号来解决宇宙中许多悬而未决的难题，比如理解暗能量的本质和识别不可见的暗物质粒子。前者加速宇宙的膨胀，而后者占宇宙总质量的绝大部分。

通过将对宇宙中氢的研究与对B模式信号的研究结合起来，科学家可以探测到宇宙中第一批恒星和星系发出的电离辐射。科学家认为，从那个时代散射出来的电子一定包含了宇宙微波背景中B模型的重要极化信息。

然而，资金短缺是阻碍B型研究的一个障碍。一些天文学家建议削减一些研究B模型的陆基实验项目。他们抱怨说，这些基于陆地的中巴研究项目不愿意分享研究数据。然而，其他人认为陆基试验项目更经济，两个渠道携手确保更好地促进B模式研究。最终，所有人都同意，开展太空中巴研究项目势在必行。

尽管未来有许多不确定因素，研究中巴的科学家们仍然充满斗志。Efstathiou说:“仁慈的大自然给了我们如此珍贵的礼物，我们有机会看到早期宇宙的样子。我们必须牢牢抓住机会，找出答案。”(段鑫)

中国科学新闻(2014-05-19第三版国际版)

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