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永利网站网址我们看到了宇宙诞生的最初瞬间,证实暴胀

消息更新:6月19日,相关的研究论文在《物理学评论快报》上发表。BICEP2团队在论文中提供了证据,表明自己观测到的B模式极化信号有可能来自宇宙诞生最初瞬间的原初引力波。但同时,他们也无法排除另外一种可能性,即这一信号部分甚至完全来自于银河系内尘埃的干扰。要想明确证实宇宙经历过暴胀,还需要未来更多的观测数据支持。

永利网站网址 1如果关于宇宙暴胀的观测证据得以证实,大爆炸宇宙学无疑将大获全胜。不过,这可能同时意味着,我们无法再更进一步,去探究大爆炸本身的线索。图片来源:《新科学家》

作为这次发现原初引力波的BICEP系列望远镜研究团队的成员之一,应果壳网的邀请匆匆写下这篇随笔,希望能够帮助大家了解如何通过观测“宇宙微波背景辐射”来探测宇宙诞生之初产生的引力波信号,理解这个发现对于人类认知宇宙的深远意义。当然,顺便讲讲发现历程背后的一点点故事。天文学的研究不仅仅是满足天文学家自己的好奇心。匆忙奔波的生活,偶然间听到关于这个宇宙中发生的新奇的事情,远离尘嚣,想象一下地球之外横跨亘古的变迁,或许你会觉得是一件有趣的事情。10年来忙于各种科研工作,除了最近给《科学美国人》(Scientific
American
)撰写了一篇有关银河系费米气泡的英文介绍外,还从来没有认真地写过中文的科普文章。时间有限,不妥之处请大家批评指正。这段引言是成文后加上的——对,就像科学论文总是最后撰写论文摘要一样——你往往会发现,计划写的和最终写出来的,很多时候并不是一回事情。

(文/ Stuart Clark)在道格拉斯·亚当斯(Douglas
Adams)所著的《宇宙尽头的餐馆》中,客人们会在早餐前经历6件不可能的事情。而在过去的十几年里,宇宙学家似乎已经完成任务过半了。

2014年3月17日,哈佛-史密松天体物理研究中心的菲利普报告厅内坐无虚席,成千上万的天文学家和公众通过网络直播焦急地等待着,等待着见证观测宇宙学又一个划时代的发现。中午12点整,项目负责人之一、我曾经的博士导师约翰·科瓦克(John
Kovac)开始介绍首次发现的原初引力波信号的观测结果,以及专门设计建造的核心探测装置:第二代BICEP南极望远镜。

发现一:暗物质。星系自转的速度超出了发光物质的引力所能掌控的程度,因此宇宙中80%以上的物质,必定以一种迄今尚未被我们看见和探测到的方式存在着。

永利网站网址 2位于南极极点附近的第二代BICEP望远镜(右侧建筑楼顶的碗状物),捕捉到了宇宙诞生后最初瞬间留下的印迹。图片来源:Keith
Vanderlinde/Handout/Reuters

发现二:暗能量。出乎所有人的意料,宇宙膨胀正在加速,因此普通物质和暗物质向内拉扯的引力,被另一种没有人确切知道是什么的奇特成分击败了。

不得不说,这是一个历史性的时刻。在不到一天的时间里,全球超过350万人尝试登陆哈佛网络直播平台,希望第一时间得知新闻发布会的细节,以至于哈佛完善的网络平台彻底崩溃——我想很少有一个科学发布会会引起几乎整个科学界甚至公众的震撼。作为宇宙中稀有的智慧生命的我们,窥探到了宇宙诞生后最初的一瞬间留给后人的信息——请相信我,作为智慧生命的种群,生活在这样的一个宇宙中,真的是一件非常幸福,更是幸运的事情。

发现三:暴胀。有了这一切,宇宙看起来仍比我们预期的要平滑许多,所以宇宙必定在诞生后的最早期,被自然发生随即又停止的超光速膨胀抹平了一切皱褶。

低调造访

就在新闻发布会的大约一周前,美国麻省理工学院教授阿兰·古斯(Alan
Guth)收到一封电子邮件。内容大概是这样的:“尊敬的古斯教授,我们发现了一件有趣的事情,这个发现跟我的研究和你的研究都有关系。但是我还不能告诉你具体是什么内容。我希望能够尽快拜访你——这件事还是稍微有那么一点着急的,期盼你的回复。另外,出于保密的原因,请不要跟任何人提起我跟你联系见面这件事情,谢谢。”邮件的落款人,正是哈佛大学的约翰·科瓦克。

看到这封邮件,阿兰立刻猜到了可能会是什么事情。这是他盼望了30多年的一个信号,一个来自于宇宙诞生时候的关键信号。他在1980年提出过一个关于宇宙诞生时期的理论,而那个信号正是这一理论的关键预言!不过,在这个时候,快70岁的阿兰还没有想象的那么兴奋。

实际上,人们试图寻找这个信号已有多年时间,就算这个叫科瓦克的家伙声称看到了什么,估计也是那种好像“有点东西”,但又不那么确定的结果。就像两年前欧洲核子中心(CERN)发现希格斯粒子那样,最先他们看到的也只是一个3个sigma左右的信号。这是科学家用来判定结果在统计上是否靠谱的一种说法。用听得懂的中文来说,就是这个结果仍有千分之几的概率可能是错的。虽然听起来这已经是一个很小的数字,但其实科学史上出现过很多“号称”只有千分之几会错的东西,后来都证明是错的。人们往往会过于自信地估计他们寻找到的信号的真实性。所以,对于这种往往雷声大雨点小的信号,“久经考验”的阿兰已经习惯了。

见面被安排在第二天,麻省理工学院物理系古斯的办公室。出于保密的原因,穿着低调的科瓦克悄悄地进入物理系侧门,被人带到古斯办公室的后门。如果被人们看到行事低调、不常到麻省理工学院的科瓦克专程来找古斯,聪明的圈内人几乎都能猜到原因——他不希望泄露任何蛛丝马迹。科瓦克掏出他们准备发表的几近完成论文的样稿,古斯当时就惊呆了。

是的,这跟他当初想象的完全不一样,这不是一个3个sigma的信号,而是超过5个sigma——这意味着,统计上出错的概率只有大约千万分之一。按照传统的物理学发现的统计标准,“这就是一个发现,一个大发现!”阿兰激动万分,很长时间后才稍稍平静下来,开始询问科瓦克研究的细节。然后,他们开始商量如何把这个惊天的大发现公诸于世。

这就是后来科瓦克在新闻发布会上公布的结果:他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。这个信号名字有点长,我们不妨简单称之为“B模式”。这是宇宙早期引力波存在的直接证据,是暴胀理论的关键性预言,其意义与发现宇宙加速膨胀一样具有里程碑式的意义!

永利网站网址 33月17日,美国哈佛-史密松天体物理中心召开新闻发布会,约翰·科瓦克(右1)宣布,他们探测到了来自宇宙极早期暴胀过程产生的、宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号。图中科学家从右向左,依次为约翰·科瓦克、郭兆林(Chao-Lin
Kuo)、杰米·博克(Jamie
Bock)和克莱姆·派克(Clem
Pryke)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

那么,这个B模式信号到底是什么呢?让我们从宇宙微波背景辐射和宇宙暴胀理论谈起。

非比寻常的论断,需要非比寻常的证据。所以,2014年3年,当BICEP2望远镜团队发现了这“三大怪”其中之一的证据时,你几乎可以感觉到,整个学术界长舒了一口气(参见《我们看到了宇宙诞生的最初瞬间》)。他们在宇宙微波背景辐射中探测到的独特光偏振模式,实际上是一石二鸟——既是宇宙暴胀明白无误的证据,又为在暴胀的同一时期存在引力波提供了间接证据。要知道,迄今为止,引力波仍是一种理论上预言的现象,还从未被直接探测到过。

宇宙微波背景辐射

让我们想象自己是两千年前的哲学家,开始思考并询问自己这样的问题:我们存在的世界是如何起源的?我们从何处来?又向何处去?关于后者的回答,我想大概会贯穿人类未来文明的发展,而对于前者的追溯,考古学式的研究模式让我们总有机会对宇宙过去发生的事情说点什么——尤其是宇宙诞生之初,那实实在在的一瞬。

今天我们对宇宙最基本的认识就是,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。看过《生活大爆炸》片头的人都知道:我们整个宇宙诞生之初温度密度极高,随着不断地膨胀,宇宙慢慢地冷却。

在最初的大约38万年中,宇宙的平均温度在几万度以上,宇宙的主要组分——质子和电子,一直处于游离状态,没有形成氢原子。因为它们一旦结合成氢原子,马上就会被周围处在“热汤”中的高能光子打散。这样专门拆散别人结合的光子有很多,多到每一对质子电子周围就有几十亿个光子等着要拆散他们。所以很不幸,在漫长的数十万年中,质子和无数电子相见,却一直不能相聚。

然而,情况在宇宙年龄到了38万年的时候发生了本质性的改变。此时,宇宙的平均温度已经降到足够低,几十亿个光子中拥有足够能量去拆散一对质子电子的数目已经所剩无几。同时,随着宇宙密度的下降,光子能够撞到电子的概率也变得微乎其微。这些为数众多的光子突然变成了无关紧要的背景,此后几乎不再被宇宙中发生的任何事情所影响。

永利网站网址,这些光子在宇宙中孤独穿行,携带着宇宙创生之初的关键信息——就像给大爆炸后38万年的宇宙拍了一张快照。随着宇宙的膨胀,它们的能量越来越低。直至今天,等效的辐射温度降到大约零下270℃,正好对应于我们熟知的微波波段。这些光子,被人们称为宇宙微波背景辐射。

可以说,上世纪60年代宇宙微波背景辐射的发现,是现代宇宙学开启的标志。它的发现证实了宇宙大爆炸理论,从此整个宇宙诞生以来的所有细节,变成了一门严肃的学科,被认真地研究和讨论。然而,也正是宇宙微波背景辐射,对大爆炸理论本身提出了一道难题。

我们知道,光速是宇宙中信息传递的极致,两个时空点之间如果连光都无法企及,那这两点发生的任何事情,都应该没有关联才对——因为双方都无法知道对方是什么状况。那么,在宇宙诞生38万年的时候,光一共能跑多远呢?直观一些讲,把这个距离投影在天空中,张角不过1°左右——只有两个满月并排起来那么宽。这样,问题就来了。从天空各个方向看到宇宙微波背景辐射,原则上可以千差万别,因为它们之间本该来不及传递任何信息才对。为什么我们实际观测的结果却是各个方向惊人地相同呢?这就是所谓的“视界困难”。

如果这一结果得到最终确认,将会极其令人兴奋。宇宙学家将可以甄别琳琅满目的暴胀理论,真正了解宇宙历史最初的时刻。

暴胀假说

正是为了解决这一难题,前面提到的阿兰·古斯在1980年提出了这样一种可能性:在宇宙诞生最初的时刻,时空发生过一次急速膨胀的过程——这便是暴胀理论。更具体地说,现在人们普遍认为,宇宙大爆炸之后的一瞬间,时空在不到10-34秒的时间里迅速膨胀了1078倍(我就不用多少个亿来表达这两个数字有多极端了)。时空在这种暴胀发生之前是有信息交流的——即便后来被暴胀拉开很远。于是,看到一致的微波背景信号也就不足为奇了。

永利网站网址 41980年率先提出宇宙暴胀理论的阿兰·古斯。图片来源:Donna
Coveney,麻省理工学院

有趣的是,暴胀理论还可以解释另一件一直让人们困惑的事情。多种不同的宇宙学测量告诉我们,今天我们身处的宇宙时空是平直的——换句话说,时空就像是拉平的一张床单。乍一看,这似乎没什么大不了。但稍微做一些不太复杂的计算,人们很快就认识到,要想保证今天宇宙时空大致平坦的话,宇宙诞生之初的时空就必须平坦到一个令人发指的地步才行。宇宙要么在诞生之初被“非常精细的微调”,不然非平坦性很容易在宇宙演化的过程中被不断放大。这被称之为“平直性困难”。

当然,我们可以要求宇宙非常严格地做到了精确平坦,这跟任何基础物理学都不矛盾。但是物理学家不喜欢这种“不自然”的事情,总觉得应该有一些未知的规律促成了这些“奇怪”的要求。你或许已经猜到了——暴胀理论的出现正好解决了这个问题!不论暴胀之前宇宙时空是不是平坦的——哪怕它长得奇形怪状,在时空被瞬时拉大一亿亿亿亿亿亿亿亿亿倍的时候,原来的样子你是肯定看不出来了。暴胀理论预言:宇宙的时空不仅应该是平直的,而且应该是精确平直的!今天的天文学观测告诉我们,宇宙时空的形状与完全平直之间的偏差,不超过千分之几。

暴胀过程的副产品也极其有趣:人们之前一直想不明白,各向同性均匀的大爆炸,怎么就产生了宇宙中如此丰富的结构?暴胀理论的回答是,急速的暴胀把量子尺度的微观扰动迅速拉大到宏观尺度,变成不可逆的密度涨落。这些涨落成为宇宙结构形成的关键“种子”。在引力的相互作用下,密度高的地方逐渐聚集了更多的物质,宇宙由此演化出星系、恒星、行星等结构,以及在一颗暗淡的行星上奔波的我们。

虽然暴胀的概念被提出了30多年,这个神奇得甚至有点离奇而不可想象的过程是否真的发生过,依然是一个谜团。人们找不到太多可以不采用这种假说去解释观测的办法,但也没有找到直接证据让人们确信,在宇宙诞生的极早期,真的存在过这么一段所谓的暴胀时期。我们对宇宙的理解,缺失了这段极其重要的信息。

不过,在举杯欢庆的人群中,也有清醒的头脑。对这一结果的其他独立证认自然最为重要,但除此之外,也还有更为宽泛的考虑。“虽然这是一次历史性的进步,但它仍有自己的局限性,”英国爱丁堡皇家天文台的宇宙学家约翰·皮科克(John
Peacock)说,“现在我们已经能以最大的可见程度来回溯时间了,但依然无法企及宇宙最初的时刻。”目前,对于紧挨着大爆炸的瞬间,我们或许有了比以往更好的认识,但问题在于,对大爆炸本身的了解一直止步不前。

原初引力波与B模式极化信号

幸运的是,在众多的理论模型中,相当多数预言了在这个暴胀时期,时空的扰动会留下一些蛛丝马迹。根据爱因斯坦100年前天才创造的广义相对论,暴胀的时空扰动会产生特征性很强的引力波。因为这种引力波产生于宇宙诞生之初,人们给它起名叫——原初引力波。

永利网站网址 5宇宙暴胀理论认为,在大爆炸后极短的一瞬间,宇宙经历了一场超快速膨胀。这一过程产生的原初引力波会在后来产生的宇宙微波背景辐射中留下可以探测的印迹。图片来源:www.physicsworld.org

这些暴胀理论有一个最基本的假设,那就是我们对量子理论和引力理论的了解有足够的自信。想象一下,爱因斯坦和量子论的先贤们几乎凭空把玩出来的漂亮理论,尽管经历了地球上近百年实验的检验,但要把它们一下子推到整个宇宙诞生的一瞬间,认为在那种极端环境下它们也仍然成立。不得不说,这是一个相当相当大胆的假设。果真如此的话,我不知道爱因斯坦假如还活着会是怎样的心情——他大概会写出更美丽的诗句,赞美宇宙的不可思议。

如果真能探测到如理论预言般的原初引力波,我们就对基础物理学中两个极其重要的理论,提供了关键性的支持。其一是爱因斯坦广义相对论所预言的引力波,而且来自于宇宙创世的瞬间!其二则是暴胀理论,这或许是宇宙演化历史中最不可思议的一瞬。同时人类将拥有一个新的强大的手段,去研究地球上的粒子加速器实验(比如著名的欧洲核子中心耗资百亿欧元的大型强子对撞机)无法企及的能量。由引力波强度决定的暴胀理论所发生的时刻,将是一个前所未知的物理学崭新的领域。

好吧,理论家说有可能存在原初引力波的信号,那么又该如何去观测呢?引力波作为一种扰动形式,会影响微波背景辐射的温度涨落。你可以把它想象成水面上的一个波对另一个波产生干扰,但是由于影响很弱,只有10%左右,不容易跟其他信号区分开来。于是,人们把目光投向了微波背景辐射的所谓偏振信号,也就是极化信号。要想更好地理解光子极化这个概念,在我丢失太多读者之前,请允许我作一个不太恰当的比喻。

想象一下我们分手的时候(不要告诉我你没有分手过,那我会羡慕死你的),你不会在说完最后一句话后,随机向任意方向离开你的前男友(或者前女友)。没错,大多数人都会选择180°转身离开。如果统计足够多的分手事例,你可以画出“分手路径空间分布图”。你会发现180°离开的人,概率是最大的(我想大概没有人真会无聊到去作这样的统计,不过为什么不呢)。也就是说,空间分布的各向同性被打破了,这就是极化——对方向出现了某种偏好。

还记得我们之前讲到的专门拆散人家质子和电子的那些讨厌的光子吗?一样的道理,它们最后一次跟电子碰撞之后也会携带电子传递给它的方向特性,这个极化信号穿过茫茫宇宙最终被南极的BICEP望远镜观测到。众多的光子与电子碰撞以后集体展现出来的这种方向选择性,可以用两个物理量描述:E模式极化和B模式极化。人们发现,B模式在足够大的空间尺度上,只能通过原初引力波产生!于是,事情听起来似乎变得很简单:只要建造最好的望远镜,但凡看到这种特殊模式的信号——B模式极化信号,就能证明原初引力波的存在!

而这正是约翰·科瓦克和他的伙伴们10多年来一直拼命在做的事情。

永利网站网址 6约翰·科瓦克和他在南极极点附近建造的BICEP望远镜(科瓦克身后右手左下方建筑物顶上的碗状物)。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

宇宙暴胀的想法可以追溯到上世纪80年代,它的问世是为了解释为什么宇宙的整体温度和密度要比理论预言的均匀许多。在大爆炸那一刻,时空自身被挤压在一起,就像一张被团起来的纸。就算让它膨胀到目前可观测宇宙的大小,也不足以抹去所有的折痕。

大爆炸的追梦人

说到这里,不妨先介绍一下我曾经的博士导师约翰·科瓦克。我第一次见到科瓦克是在2008年的初夏。当时哈佛天文系有新的教职空缺,几百位申请人最终有5位候选人被允许来学校面试,约翰便是其中一位。第一眼看到他,我只觉得这个人一点架子都没有,年轻帅气健谈,更像一个拖了许久没有毕业的博士生。

面试项目众多,其中一项是在几乎所有在职教授挑剔的眼光中,讲解自己的研究。约翰的演讲非常成功。当时我还在哈佛大学读研究生,主要研究B模式探测的理论和实验模拟,听懂他的报告毫无问题。报告一结束,我就找到约翰打招呼,介绍我的工作。没想到我们聊得太起劲,不小心耽误了他之后的面试程序。这让我很是不好意思,于是到处拉拢小伙伴跟我一起支持约翰来哈佛任教——因为哈佛大学的教授选拔制度较为开明,研究生们对教授候选人的评价也是重要的考核标准。

最后,印象中约翰在5位候选人中排名第3。不过好在排名前两位的人后来都没有接受哈佛大学的教职邀请。终于,约翰于2008年秋天来到哈佛,正式打造哈佛宇宙微波背景研究团队。我也很自然地成为入住约翰崭新而空旷的实验室的第一人,有机会开始跟他合作B模式探测的南极实验。

事实上,约翰从1992年起,每一年就都要去南极,建设宇宙微波背景辐射探测装置。今年他已经是第23次在南极的极昼期间奔赴地球之极了。南极的极昼是北半球的冬天。20多年,他几乎没怎么和妻子家人一起过过圣诞节。对于西方人,尤其是基督教徒来说,这就像我们几十年都不回家过年一样。

幸运的是,宇宙对约翰很公平。2002年,身为研究生的他成功地在当时最先进的微波背景辐射卫星——威尔金森探测器(WMAP)得到结果之前,用设在南极极点的DASI望远镜,率先测量到了另一种宇宙微波背景辐射极化信号——跟B模式对应的,称为E模式。他的这篇博士论文,最终作为封面文章,发表在了《自然》杂志上。《自然》杂志为了发表这篇论文,还特例打破对文章篇幅的限制。因为约翰对《自然》的编辑说,“如果你不让我全文刊登,我就要换杂志了。”可以说,在博士研究生毕业的时候,约翰就已经站到了宇宙微波背景辐射研究领域的最前沿。

也正是在2002年左右,约翰组建了一个20人左右的团队,提议在南极的极点附近建设一台名为“BICEP”的望远镜。BICEP的英文全拼大概可以翻译为“宇宙泛星系偏震背景成像”。这是世界上首次专门针对搜寻原初引力波产生的B模式信号而建造的探测装置。由于投资相对较小,科学目标又非常重要,BICEP项目很快就得到了批准。

然而,剧烈的暴胀则可以拉平这团纸。它的基本思想是,在宇宙的最初瞬间,真空本身蕴藏了巨大的能量。量子涨落使得真空振荡,进而开始逐渐注入这一能量,蔓延至整个婴儿期的宇宙。这会驱动宇宙发生指数式的膨胀,在短短的10-36秒的时间里,宇宙的尺度翻倍了80次,从仅仅10-28米的跨度急剧增大到了接近1
厘米。结果便是形成了一个没有结构且平坦的时空,在这之后恒星和星系才开始形成。

梦圆南极极点

为什么要把BICEP千里迢迢运到南极去观测?

永利网站网址 7美国空军一架LC-130运输机起飞途中飞越设在南极极点附近的望远镜。图中从左到右的望远镜依次是南极望远镜、BICEP2望远镜和凯克阵望远镜。图片来源:Steffen
Richter,哈佛大学

考虑到宇宙微波背景辐射的信号特征,以及来自天空中其他辐射源的影响,1000-3000亿赫兹的频率是最佳的观测窗口,这比我们平常听的调频广播频率要高几千倍。不幸的是,这个波段的电磁波会被大气中的水蒸气吸收,同时水蒸气也会发射大量类似频率的信号,极大地影响观测。

因此,观测宇宙微波背景辐射的望远镜,往往被搭建在极为干燥的地点,比如智利阿塔卡马沙漠的高山之巅,再比如寒冷刺骨的南极高原。虽然南极被厚厚的冰层覆盖,但寒冷的温度让南极大气中的水蒸气含量极低。当然不考虑成本的话,也可以把探测器发射到太空中,比如美国航空航天局于2001年发射的威尔金森探测器,以及欧洲空间局于2009年发射的普朗克卫星(Planck)。

可是,南极极点不是任何时候都可以去的。2013年美国国家地理网站公布了世界上7座环境最极端的机场,排名第一的就是南极洲冰跑道。在这些机场起降不仅需要出色的驾驶技术,同时也需要过人的胆量和勇气。

BICEP的人员和工程装备,都要由美国空军的C-130运输机运抵南极洲罗斯岛的美国麦克默多科考站。这里的海冰机场可以说是最让人恐惧的机场之一,即使在条件最好的情况下,这种简易机场也处于不稳定状态,给起降带来不小难度。为麦克默多站运送物资补给的飞机一般在南极极昼刚刚开始的时候使用,此时的天气环境比较适于飞机起降。如果海冰开始变得脆弱,这个机场将停用,而改用罗斯冰架上的另一条冰跑道起降。有时要抵达南极极点或者回来,需要花上一周的时间。

永利网站网址 8科学家会在每年南极的夏天极昼期间来到南极极点,为BICEP望远镜加注大量的液氦。图为物理学家乔恩·考夫曼(Jon
Kaufman)正为BICEP2加注液氦。图片来源:Jeffrey Donenfeld

尽管条件艰苦,BICEP项目经过紧张的准备,于2005年南极的夏天正式建造,到2006年就开始采集科学数据。由于条件有限,只有在每年南极极昼期间大约3个月的时间里,我们有机会运送给养,修复或者升级BICEP望远镜。这个时候我们会暂停观测,进行紧张的工程建设——比如加注大量的液氦,把整个望远镜都冷却到-270℃附近,来降低探测时的噪音。

在剩下的部分极昼以及整个极夜期间,BICEP会对一个特定的天区进行不间断观测,积累最长的曝光时间,提高探测数据的灵敏度。而在极夜到来之前,绝大多数BICEP成员都会撤出南极。事实上,只有一个人会留下来,我们把这个人叫做“过冬的人”(winterover),望远镜在整个极夜期间的运行和维护都由他来负责。这个岗位很艰苦,不仅任务艰巨,而且6个月见不到太阳的日子可不好过,因为屋子里是寂寞和孤独,屋子外面就是地球之极的黑暗和冰冻。

在下面的图里,左面房顶的“大锅”里是BICEP望远镜,右边的大家伙是直径10米的“南极望远镜”,目标都是对宇宙微波背景辐射进行最为缜密的测量。BICEP的大锅看起来大,其实它的作用只是遮挡来自地表的各种辐射干扰。真正的望远镜口径只有26厘米,大概还没有你的笔记本电脑大。安装在BICEP上的第一代仪器,从2006年观测到2009年。此后升级的第二代仪器BICEP2,观测效率由于探测器技术上的突飞猛进,一下子提高了近10倍!BICEP2于2008年底运抵南极观测站,从2009年运行到了2012年。

永利网站网址 9设在南极点附近的BICEP望远镜和南极望远镜。图片来源:哈佛大学

2008年加入约翰的研究团队之后,我主要负责处理分析第一代BICEP望远镜收集的数据。其间大概画了几千个图,做了各种分析手段的尝试和改进,大量的时间是艰难而沉闷的,因为总会有意想不到的困难出现,而你必须找到有效的解决方案,不然就会影响数据分析的可靠性,以及团队的整体进展。对分析结果的检验更是要进行各种严格而繁冗的检查,2009年就收集完成的第一代实验数据,为了配合BICEP的各项数据分析技术测试和交叉检验等要求,直到2013年10月才公布了分析结果,发表了最终的科学论文——这是此次新闻发布会之前,对宇宙原初引力波得到的最好结果。

说实话,对第一代实验的数据分析,本该是我博士论文的题目。但论文发表时,已经是我在麻省理工学院做博士后研究的第二年了。不过,也正是由于我们在BICEP1的数据分析技术上做了非常充分的准备,对软件和观测仪器的理解精益求精,才使得我们对升级后的BICEP2采集的数据能够进行迅速可靠的科学分析。2013年春天,就在BICEP2完成数据采集的第二年,合作组已经得出了初步的分析结果——当时小伙伴们都惊呆了,这是一个非零的B模式信号!!

随之而来的,不是兴奋和欣喜,更多的其实是担心。我们真的探测到原初引力波的信号了吗?还是说,我们有哪里做错了?因为几乎谁都没有想到,B模式信号会被第二代BICEP实验看到,这个信号还比理论学家或者说绝大部分人的猜测都要大。BICEP2使用了当时世界上最先进的探测手段,一切都是新的,经验不多。事实上,对仪器性能的理解一直是困扰整个研究团队进展的关键瓶颈。尽管已经把所有精力都花在对仪器可能产生的影响上,面对一个出乎意料的信号,我们的心里还是在打鼓。在详尽地检查所有可能的错误之前,谁也不敢贸然站出来宣称如此重大的发现。

永利网站网址 10BICEP2望远镜下方的控制室。图片来源:Jeffrey
Donenfeld

按照通常的科学发现习惯,只有一个结果得到真正地重复和确认之后,人们才会放心地把它作为文明的一部分继承和发展下去。科学或许是最不允许出错的文明积累过程,公布错误的不严谨的科学发现,也会让一个科学家失去很大的信誉,甚至成为耻辱。科学史上不止一次出现过乌龙式的“发现”,最近一次大概要属几年前意大利人的中微子超光速。被证实是仪器连接错误之后,项目负责人据说最终引咎辞职。

好吧,我们要冷静下来,好好检查一下到底哪里会出问题?首要的问题就是,研究积累的数据之间是否相互一致。比如说,把3年的数据分成两份,分别分析每一份,看得到的结果是否一致。另外,还要保证测量的结果的确是我们想测量的原初引力波信号。测量如此微弱的信号,需要极其小心地避免各种可能的、来自测量过程的影响……
压制着内心的那份激动,紧张而谨慎的数据分析和研究又进行了一年。

“直到我们首次将BICEP2的信号与BICEP1的信号进行比对,两者都检测到了同样的信号,”就像约翰·科瓦克在接受《自然》杂志采访的时候说的,“这是非常有力的证据,因为与BICEP2相比,BICEP1采用的探测器非常不同,使用的技术也完全不同。这就让怀疑的空间大大减小了。终于,我们组内的最后一点质疑也被打消了。”是的,跟BICEP1的对比分析让合作组充满信心,认定看到的就是真正的、来自宇宙最早期的“声音”!

至此,继率先发现E模式极化信号之后,南极的太阳十次东升西落,见证了一群南极极点逐梦人的圆梦时刻——每个宇宙微波背景辐射的猎手都梦寐以求而不得染指的B模式信号,被科瓦克领导的团队发现。他一个人,成为了微波背景辐射极化信号两种模式的发现人和领导者,可谓功德圆满。

永利网站网址 11在南极观测站负责维护和升级BICEP望远镜及凯克阵望远镜的部分团队成员的合影。图片来源:Jeffrey
Donenfeld

尽管在寻找B模式信号的竞赛中,BICEP2走在了最前面,但我要说的是,探索宇宙是人类的梦想,许多人在为之付出生活的全部,尽管他们中的绝大多数人,你永远都不会听说。其他研究小组也在地球上最好的观测点建造各种望远镜,试图寻找这个微弱的信号——包括南极大陆和智利高原,还有欧洲空间局代价昂贵许多的普朗克卫星。

按照现在的计划,普朗克卫星将于2014年10月公布对B模式极化信号的探测结果,普朗克研究团队的同事们都在努力让普朗克的最终结果早日出炉。其他几个地面的观测实验也将大约在1年后得到独立的结果。所有这些实验都在紧锣密鼓地进行着,因为这个发现实在是太重要了,每个人都在持怀疑的态度对待这个革命性的进展。不同的声音也在发布会之后慢慢在科学界产生,BICEP2真的看到了宇宙诞生之初的信号吗?所有人都在等待普朗克以及其他望远镜的结果,他们会验证BICEP2的发现吗?不久的将来我们就会得到确切的答案。也期待着不久之后我们会最终自信地补上了大爆炸宇宙学这项人类最伟大智慧成就之一的最后一片缺失的拼图——宇宙暴胀。在不久的将来,我们将在宇宙纪年表的开头填上这样一笔:在大爆炸创世后的一瞬间,宇宙曾经急速膨胀。

这个过程也产生了BICEP2团队所观测的宇宙微波背景辐射。这些最古老的光线充满了整个宇宙空间,一开始受困在早期宇宙超高密度的物质当中。大约38万年后,当宇宙冷却到足以形成第一个原子时,它们终于被释放了出来,能够在宇宙各个方向上自由传播。

见证历史

2014
年是个有趣的年份——爱因斯坦诞辰135周年,这位科学巨人在一个世纪前提出了惊人的广义相对论,我们开始理解这个宇宙的运行方式。同时,整整50年前的1964年,贝尔实验室的两位科学家兼工程师发现了宇宙微波背景辐射,人们开始窥探宇宙婴儿时期的模样。

永利网站网址 12BICEP2实验中发现的微小的涡旋涨落,这是原初引力波在微波背景辐射中留下的印迹。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

在哈佛-史密松天体物理研究中心一个多月前举办的纪念仪式上,阿兰·古斯和宇宙微波背景的发现人之一罗伯特·威尔逊(Robert
Wilson)曾经畅谈自己对宇宙学的贡献,以及对未来宇宙学研究的期望。

那时科瓦克坐在大厅的一个不起眼的角落里。可能他无数次地望向阿兰,可那个时候的阿兰还不知道,坐在自己不远处的科瓦克,心里藏着一个多么让人兴奋的秘密,会给他执著了半生关于宇宙诞生的故事提供一个完美的答案。

回顾历史,古斯和威尔逊最重要的贡献都是在自己30多岁的时候做出的。他们享受着宇宙带给人类的惊讶,他们的发现和研究也被后人传承和发展。这就是站在地球上的我们,延续着的文明,对宇宙的理解。

记得爱因斯坦说过,宇宙中最不可理解的事情就是宇宙是可以被理解的。观测宇宙学反复的膨胀着人类认知宇宙的坚定信念和超乎想象的心智与技能。从仰望星空的一瞬间开始,我们就注定被感动,也注定不会停下脚步。无论直接或间接的参与其中,每个人,都生活在这苍穹之下,每个人,都有仰望星空的权利。

可能有人会说,宇宙学的黄金时代已经过去。但在3月17号,我的微博被原初引力波信号的报道刷屏了,大家都在疯狂地谈论着。这是一个值得纪念的日子。BICEP的观测结果告诉我们,宇宙总是充满惊叹,这也是她的魅力所在。我们正在经历着人类认知宇宙的革命性时代,我们在了解过去的先贤不曾认识的宇宙,我们真的很幸运。我想,爱因斯坦也会惊讶我们对宇宙的认知可以前进到大爆炸后的那么一瞬。无论多少次想,你都会觉得不可思议,真的不可思议。

永利网站网址 13出席3月17日新闻发布会的科学家,从右往左依次是阿兰·古斯、安德烈·林德、郭兆林、约翰·科瓦克、罗伯特·威尔逊、杰米·博克和克莱姆·派克。如果这一发现得到其他实验的证实,这些科学家中将出现好几位诺贝尔奖得主。(罗伯特·威尔逊已于1978年因为发现宇宙微波背景而获得过诺贝尔物理学奖。)图片来源:Rick
Friedman,纽约时报

得益于BICEP系列试验最终发现了原初引力波留下的印迹,古斯在30多年前提出的宇宙暴胀假说,终于获得了直接证据的支持。或许在不久之后,阿兰和约翰,或许还有斯坦福大学的教授安德烈·林德(Andrei
Linde),会因此获得诺贝尔物理学奖,以表彰他们对宇宙学里程碑式的贡献。我期待着若干年后,我们再来回顾人类对宇宙的认知历程的时候,发生在这里的人和事会被想起,仰望星空的感动会被后来者传承。

最后,按照BICEP组的惯例,我将此文献给加州理工学院已故的天体物理学家、前数学物理天文学部主任安德鲁·朗吉(Andrew
Lange)。他在2010年由于抑郁症自杀身亡。他领导的宇宙微波背景气球实验BOOMERanG,率先证实了宇宙的时空是平直的。他生前曾经指导过很多后来从事宇宙微波背景实验研究的重量级学者,其中就包括约翰·科瓦克。我希望朗吉能知道,搜寻B模式极化的信号不像他总开玩笑说的那样,是“宇宙中最大的徒劳无益之事”。我们看到了这个信号,希望他也能。(编辑:Steed)

 

本文作者苏萌,为美国麻省理工学院/哈佛-史密松天体物理中心研究员,曾经参与发现银河系银盘上下两侧的巨型费米气泡结构,并因此获得2014年美国天文学会颁发的高能天体物理布鲁诺·罗西奖(Bruno
Rossi
Prize)。他也是此次宣布发现原初引力波产生的宇宙微波背景极化信号的BICEP团队成员。他的微博ID为@哈佛苏萌。

138亿年以来,宇宙膨胀一直在拉伸宇宙微波背景辐射,使它们从最初的超高能量冷却成了仅能加热分子的微波,温度只有2.7
K——这也常常被当作是空间的温度值。在大尺度上,这一温度和其他的特性几乎是均匀分布的。然而在局部,事情看上去就会颇为不同。紧盯天空中的某一片区域,BICEP2望远镜观测到了暴胀在宇宙微波背景中留下的印迹,被称为B模式偏振。

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这些印迹源于爱因斯坦的广义相对论,该理论描述了物质和能量如何使得空间和时间发生弯曲。于是,驱动暴胀的量子涨落也会使得时空跟着一起涨落,产生时空涟漪,被称为原初引力波。

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当且仅当发生暴胀时,原本极其微弱的引力波才会被急剧放大。这些被放大的引力波贯穿宇宙,扭转宇宙微波背景辐射中的光子,产生B模式偏振。宇宙极早期中的一个瞬间由此变成了遍布整个天空的特征,这就像把一幅图像放大到极致,而你所能看到的,不过是一块一块的像素而已。

2014年3月17日,BICEP2团队在美国哈佛大学史密松天体物理中心宣布了这一发现。英国伦敦大学学院的宇宙学家希兰亚·佩里斯(Hiranya
Peiris)说:“探测到原初引力,是最接近证明我们曾经历过暴胀的一步。”

永利网站网址 12BICEP2实验中发现的微小的涡旋涨落,这是原初引力波在微波背景辐射中留下的印迹。图片来源:哈佛-史密松天体物理中心

向后的巨大飞跃

这一发现的潜在影响是巨大的。没有参与此项工作的皮科克指出,宇宙微波背景被释放的时候,宇宙的大小不足现在的1/1100,但暴胀在宇宙微波背景中留下的印迹却可以追溯到宇宙大小还不到今天的10-55时。“这是向前迈进了一大步,”他说,“假如得到证实,我认为这必定是我有生之年里最大的科学进展。”

前提是,假如得到证实。这样一个潜在的突破迫切地需要佐证,因为凡事并非都像一加一等于二那么简单。BICEP2的结果暗示,原初引力波的大小——用r值来表征——远超任何人的预期。加拿大麦吉尔大学的邓肯·汉森(Duncan
Hanson)参与了南极望远镜项目,该望远镜就设在BICEP2的旁边,正在补充对宇宙微波背景的观测。汉森说:“测量出的r值让人有点吃惊,因为我们曾经认为,这么大的r值已经被排除了。”他强调,“某种形式的确认绝对是必需的。”

这一结果也与欧洲空间局普朗克卫星于2013年3月公布的数据相冲突。在BICEP2仅观测一小部分宇宙微波背景的同时,“普朗克”花了4年半的时间,以前所未有的精度,对整个天空中的宇宙微波背景进行了观测。

暴胀抹平了宇宙微波背景的温度,但产生原初引力波的量子涨落也会令微波背景的温度发生微小的起伏。其他的效应也可以产生类似的结果,所以温度涨落本身并不足以证明暴胀。但如果假设这一变化全部由暴胀产生,便可以由此计算出原初引力波r值的上限。根据“普朗克”的数据,r值不应该大于0.11;BICEP2给出的结果是这一数值的2倍。

对于这一矛盾,最简单同时也最尴尬的解释是,BICEP2的数据分析存在问题。毫无疑问,在数据分析的过程中存在无数陷阱。最重要的是,除了源于暴胀的原初引力波之外,还有其他东西也可以产生B模式偏振信号。在宇宙微波背景被释放出来之后,星系团的引力能够扭转光子,被束缚在银河系磁场中的尘埃颗粒也能做到这一点。有人已经提出,或许来自于超新星爆发的尘埃颗粒导致了这一结果。

只观测一小片天空,远离银河系的银道面和任何大型的星系团,可以减少这些干扰——BICEP2正是这样做的。但参与了“普朗克”项目的佩里斯对此仍有顾虑。她说:“我对他们的结果感到很惊讶。这简直就是50年一遇的重大发现,不是吗?但是,作为一名科学家,我不得不对此表示怀疑。”

她担心,BICEP2的数据分析仅用了一条由多个软件构成的“流水线”。“普朗克”至少使用了2条,有时甚至多达5条独立的流水线,来降低因未知的程序问题导致错误结果的几率。佩里斯说:“为了验证BICEP2的结果,需要不同天区的不同数据,以及一条不同的数据处理流水线。”

通过开发第二条数据处理流水线,BICEP2自己就能做到这一点。其他的地面望远镜也可以提供独立的检验,其中包括汉森的南极望远镜和位于智利的“北极熊”(Polarbear)实验。它们的团队正在梳理各自的数据,或者计划新的观测来证实或者反驳BICEP2的结果。不出所料,它们目前还没准备好发表评论。

永利网站网址 9设在南极点附近的BICEP望远镜(左侧建筑屋屋顶上)和南极望远镜(右侧建筑)。图片来源:哈佛大学

最沉重的打击依然来自于“普朗克”。它的全天观测结果把任何局部特征都限制在了很小的范围之内。更重要的是,它采集了9个微波波段的数据。这使得“普朗克”可以更容易也更可靠地剔除掉前景偏振的干扰,因为尘埃颗粒对微波的散射会随着波长而变化。

2013年,“普朗克”团队发布全天温度图时,他们承诺将在2014年公布偏振数据——如果最新的传言属实,时间会在今年11月。不过,“普朗克”的数据也并非尽善尽美。如果它观测到的温度涨落源于暴胀,那它们在所有尺度上都应该一样才对。但事实上,较小的尺度上涨落确实更大。科学家倾向于使用“张力”来消除这一异常。这一点或许也站不住脚了。“如果你相信BICEP2的r值,实际上它会使得张力项变得更为糟糕,”汉森说,“也许我们不得不修改现有的宇宙学了。”

他的意思是,需要更稀奇古怪的暴胀理论才能够在不同尺度上产生不同大小的引力波。理论学家正忙于提出各种理论来做到这一点。其他人则采取了没那么激进的路线,他们相信BICEP2可能已检测到了原初引力波,随着更多数据的获得,他们的r值会变小。

确定正确的r值或许还有助于解决一个大问题:到底是什么驱动了暴胀?不过,英国普兹茅斯大学的理论学家戴维·万兹(David
Wands)认为,也可能未必。他说:“暴胀避免了我们在讨论大爆炸时遇到的许多困难。这意味着,我们可以描述宇宙的很多特性,根本不必追溯到大爆炸本身。”

更糟糕的是:暴胀可以有效地擦除之前的细节。那些细节要么在指数膨胀中被直接抹平了,要么被运送到了我们看不见的远方。暴胀几乎可以把任何你能够想象到的开端,全都转变成我们现在所看到的宇宙。这意味着,我们甚至都无法肯定,宇宙大爆炸是否真的发生过,或者说我们的宇宙是不是从一个无限高密度和温度的奇点开始膨胀出来的。用皮科克的话来说,“大爆炸奇点存在的时间,可能是这些引力波产生之前10-36秒,也可能是在这之前一万亿年。”

永利网站网址 16证实暴胀确实令人兴奋,但这也可能意味着,暴胀抹平了之前的所有细节,让我们无法透过暴胀的“黑幕”,探测更早之前的宇宙大爆炸本身。图片来源:《新科学家》

受困于过去

也许隐藏在我们视线可见范围之后的,不仅仅是大爆炸本身。大多数宇宙学家和物理学家相信,要想描述宇宙的起源,我们需要一个理论,能够把描述引力的广义相对论和描述其他3种自然力的量子力学统一起来。只有在远远超过目前我们在粒子加速器中所能达到的能量和密度水平之上,量子引力的效应才会显现出来。在此之前,我们唯一的希望就在于,来自早期宇宙的直接观测证据可以帮助我们确定这一理论。

而这可能正是BICEP2结果的第22条军规。按照皮科克的说法,确认BICEP2的发现将告诉我们,量子引力理论确实存在。他解释说:“只有当量子力学能够施用于引力场,就如同能够施用于电磁场之类的其他场一样时,所产生的引力波才会有这样的振幅。”不过,量子引力时代现在被牢牢地困在毫无特征的暴胀“帷幕”后面,隔绝了一切直接的宇宙学检验。

如果是这样,那一开始的赞叹就有可能会变成沮丧的惨叫。皮科克说,“现在我们已经有证据证明,量子引力理论必定存在,只是我们看不到任何能够去探测它的方式。”

佩里斯则不这么确定,她认为仍有可能发现一些来自暴胀之前的东西。“我不会真正排除有机会获得更进一步信息的可能性,”她说,“现在仍是暴胀理论的初期阶段。也许它还会有一些更进一步的预言。”

希望如此,否则的话,2014年3月17日或许将被视为是宇宙学的开启和终结之日。对于宇宙如何以及为何起源,如果我们的认知确实存在局限的话,宇宙学家或许不得不如此安慰自己:毕竟在暴胀壁垒的这一侧,还有足够多的谜题供我们研究。暗物质,暗能量,还有吗?(编辑:Steed)

 

编译自:《新科学家》,Big bang breakthrough: The dark side of
inflation

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