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2014-3-19

宇宙暴涨的第一条直接证据

归档于: 天文空间科学, 译文快递 @ 10:16 pm

Camille Carlisle
译自SkyandTelescope.com, 2014年3月17日

研究者利用南极点的一项实验发现了长期为人追求的暴涨“铁证”。

参与BICEP2实验的研究者宣布,他们探测到了暴涨(暴涨是让大爆炸“爆炸”的指数膨胀期)的特征指纹,让全球的宇宙学家议论纷纷。

暮光中的BICEP2望远镜,图中的景象每年只会在南极点出现两次。背景中可见MAPO观测站(凯克阵列望远镜的所在地)以及南极点研究站。(图片版权:Steffen Richter/BICEP Collaboration)

全球大约有10个研究小组在积极搜索这一信号,也就是原初B模。不过我必须要承认的是,在圣帕特里克节(译注:爱尔兰的保护圣人圣帕特里克的纪念日,即3月17日)清早可能出现的新闻中,我最关注的并不是偏振信号的发现。几个月前,两个小组确实在搜索工作中取得了重要的里程碑进展,他们发现了另一个可能会污染原初数据的信号。不过我根据今年1月在美国天文学会会议期间公布的成果估计,天文学家至少要等上一年才能公布今天的这样一个发现。

很高兴我错了。

B模是一种特定的偏振模式。在某一波长的偏振光穿过宇宙的时候,它的振动方向相对传播方向成某一特定夹角。如果暴涨确实发生过,它会向时空发送引力波涟漪。引力波会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下B模偏振。

引力波在传播过程中,通过拉伸挤压空间(进而是原初光子和电子组成的等离子体汤)在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下了偏振信号。(A)在引力波从后方抵达之前,以一个电子为中心的空间截面看起来是正常的。但当引力波抵达后,截面会在一个方向上拉伸挤压,然后另一个方向上发生类似情形,如此反复振动。(B)与均匀等离子体不同,电子“看到”了周围被挤压的方向上宇宙温度略高,而拉伸的方向温度略低。(C)起先光子在所有垂直于传播路径的方向上振动着。(见D与E中入射方向的十字标记)当光子散射电子后,它们就出现了偏振特性,只在一个方向上摆动(见出射方向上的直线标记)。最终得到的结果(F)是低温与高温光子偏振的总和。不过由于高温区域的光子能量更高,它们的偏振特性“胜出”了,也就是说总的偏振是与热区平行的(G)。(图片提供:S&T: Leah Tiscione)

还有另一种机制可以在CMB中形成B模。当宇宙大尺度结构的引力场充当了CMB的透镜时,会让CMB的偏振特性发生扭曲。不过透镜化的B模存在的角尺度只是原初的十分之一。在进行大量仔细的分析后,研究者可以将其排除。

原初B模的发现是由宇宙河外偏振背景成象(BICEP)第二轮实验得出的。它是在南天空洞观测CMB的计划之一,这片天区在南极可以观测到,从这里可以直接窥视银河系之外,一睹宇宙深空(参见下方的星图)。

当前有多项试图捕获暴涨偏振信号的计划。图中标出了截至2013年秋季仍在进行中的计划观测的天区(观测全天的普朗克探测器除外)。各个计划的视场只是近似情况,且在高赤纬区域由于投影效应有所扭曲。大图请点击(图片提供:S&T/Gregg Dinderman)

BICEP2望远镜口径不到30厘米(12英寸),不过它也不需要做得很大。它被冷却到了4开尔文,每周7天、每天24小时地观测一片20度的天区,探测CMB微弱的微波信号,实际上探测的是CMB的偏振情况。

BICEP2小组仔细分析了3年观测数据中的偏振测量情况。他们还将数据与BICEP1以及小组新建的凯克阵列(实际上就好像是5台安置在一起的BICEP2)的观测作了比较。小组最终作出发现的秘诀正是将3组数据结合在一起的能力。

在一年的紧张工作(包括将超过12种其他可能的解释排除),小组确信他们在天空中大约2度的角尺度上看到了暴涨的信号。用统计的语言来说,他们的数据优于5 σ,这是让物理学家接受新发现的黄金准则。

数据分析的带头人、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克(Clem Pryke)说:“我们确信信号是来自天空的,而且是来自微波背景辐射的。”

出席技术发布的其他研究者也被说服了。会暴涨理论的共同提出者、麻省理工学院的艾伦·古思(Alan Guth)说:“这看起来与我先前所见的任何结果一样可靠。”他和其他人(包括小组本身)都希望其他小组能证实这一发现,不过信号确实看起来是来自暴涨的。

麻省理工学院的引力波物理学家斯科特·休斯(Scott Hughes)笑盈盈地说:“我非常兴奋。它们当然就是宇宙学以及暴涨的线索。对于科学家来说,它太精彩了。”

那又如何?

直到最近,天文学家还只有一种线索来研究暴涨是否发生过,它利用的是CMB温度变化的斑驳分布。对这种分布的研究(尤其是ESA的普朗克卫星所进行的)支持最简单的暴涨模型。

不过手头有了B模测量情况就完全不一样了。约翰·霍普金斯大学的马克·卡米奥科夫斯基(Marc Kamionkowski)说:“这不只是一次棒球全垒打,而是大满贯。这是暴涨的铁证。”卡米奥科夫斯基是最先提出也许可以在CMB中探测暴涨导致的B模的理论家之一。

B模携带了暴涨发生时引力波尺度以及暴涨所涉及能量的特定信息。因此实际探测这一信号就限定了理论的范围——而且不是限定了一星半点,卡米奥科夫斯基和古思强调说。

欣喜的理论元勋。在参与周一宣布会的众多名人中,有暴涨理论的元勋艾伦·古思(左)以及安德烈·林德(Andrei Linde)。林德说:“能在我的有生之年看到这一理论得到证实实在是太妙了。我一定要乘飞机飞来这里。”点击观看林德得知这一消息时的反应(图片提供:S&T: Camille Carlisle)

卡米奥科夫斯基说,根据BICEP2的结果,看起来暴涨是在大爆炸后大约0.5 × 10-37秒发生的,不过他提醒说,这是他在一片纸头上快速估算的结果。

这一测量还说明,暴涨可能与自然界四种基本作用力中三种(强力、弱力、电磁力)的统一有关。根据古思的观点,BICEP2数据给出的能量是2 × 1016 GeV,这大致相当于大型强子对撞机能量的一万亿倍,与大统一理论(GUT)的能量相符。GUT是物理学家在20世纪70年代玩弄出的东西,而BICEP2的结果是他们数十年来追寻的缺失环节。

数据还告诉了我们引力波的尺度。这一信息是来自引力波(它是一类密度扰动)与普通CMB密度起伏之间的比例的。技术上说,这一数字叫做张量标量比,其中引力波是张量,而“常规”密度起伏是标量。

卡米奥科夫斯基说,BICEP小组得出的比例是0.2左右,这意味着引力波是“相当大”的。(对不起,我并不清楚严格的数值。)普朗克小组用他们的数据给出的上限是0.11,不过普赖克说,虽然这与他的小组的结果有点冲突,但二者的差异并不是太值得担心的事情。举例来说,它可以通过对标准宇宙学模型的简单扩展来解决。现在他们还不清楚。

这一结果并没有告诉我们是什么诱发了暴涨,只是说暴涨发生过了。而且它也没有回答暴涨是否永远发生,并引发无穷多的系列大爆炸,产生隐藏宇宙这个问题。后一种宇宙学图景通常被称为多重宇宙。(搜索多重宇宙线索的深度探讨可以参见我在2012年12月《天空与望远镜》杂志上撰写的文章。)不过古思指出,很难调节暴涨过程让隐藏宇宙无法形成。

宇宙微波背景辐射中“卷曲”的B模偏振。每条线表示天空中某点的偏振测量。当扣除了较强的E模偏振后,剩下的情形就如上图所示。其中几乎所有的特征都是大爆炸后一瞬间量子引力混沌的信号。这是一张真实的天空图,高约15度,覆盖南天的凤凰座和独居座。最强烈的卷曲信号(用颜色标出)宽2度,大约与手指伸到一臂之外覆盖的天区相当。(图片提供:Harvard University/BICEP2 team)

在暴涨轰动之下,人们漏掉了几个“较小”的结果:

1、这是第一次得到了引力量子化的确切信号,也就是说,引力如光线一般,是离散的。产生了B模的引力波来自引力本身的量子起伏,随后在暴涨的超光速膨胀期间被拉伸。塔夫茨(Tufts)大学的宇宙学家肯·奥伦姆(Ken Olum)说:“我认为这是我们现有确实说明引力量子化的唯一观测证据。可能它也是我们可以得到的唯一证据了。”

2、这是第一次探测到了引力波对非波源物质的作用。天文学家曾观测过彼此螺旋靠近的中子星,它们的行为与系统发射引力波的情况一致。不过他们还没有看到过引力波对宇宙中其他物质的影响。

3、这是第一次对霍金辐射的探测。霍金辐射通常与黑洞的缓慢蒸发相关,光子从事件视界中发射而出。不过可观测宇宙也存在一个视界,霍金辐射应该会从这个视界连带宇宙中的各个视界中发出,换句话说,它是来自宇宙中各个地方的,麻省理工学院的宇宙学就马克斯·泰格马克(Max Tegmark)说。今天宇宙的视界非常庞大,它的霍金辐射实际上已经不重要了。不过在宇宙最初的几分之一秒内,视界非常狭小且是高度卷曲的。今天宣布的引力波信号正是这一视界的霍金辐射。

其他小组正在艰辛工作,以证实BICEP2的结果。普朗克探测器的偏振测量结果要等到今年晚些时候才能得出,而该小组最新的消息是,这些结果不会包括对原初B模的分析。不过喷气推进实验室的普朗克任务科学家查尔斯·劳伦斯(Charles Lawrence)说,普朗克的全天视场可以揭示出较BICEP2角直径更大的B模信号,还能给出名为“再电离鼓包”的结构,后者是传播路径中电离物质重新排列原初B模的结果。不过现在人们并不知道普朗克是否可以从事这项工作。

同时兴奋是显而易见的。如泰格马克所说:“我认为这是有史以来最重要的发现之一。”(了解其中原因请点击这里观看他的相关博客文章。)

研究论文、数据的详细信息、解释、图像以及视频请访问BICEP2小组的网站

 

译文登载在http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-10559-1.htm

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