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目睹时空涟漪,顺手终结宇宙学

3月17日宣布,美国科学家通过BICEP望远镜观测到了宇宙诞生后留下的原始引力波,这是目前为止有关宇宙暴胀理论的首个直接证据,由此也引发了新一波对于宇宙和天文学新的关注。果壳编辑搜集最新一周天文美图,带领大家一起领略时空涟漪。永利网站网址 1
1、极地科考站:图为位于南极洲阿蒙森-斯科特的科考站,直径达10米的望远镜和BICEP“宇宙泛星系偏震背景成像”望远镜正在对宇宙微波背景辐射进行探测。3月17日宣布,正是通过BICEP望远镜的观测,科学家确认了宇宙诞生后留下的原始引力波,这是目前为止有关宇宙暴胀理论的首个直接证据。图片来源/Idaily

永利网站网址 2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》

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(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。

2、黑洞环绕:图为3D视觉呈现出的两个黑洞环绕的引力波。据美国太空网站报道,多年以来,尽管科学家们屡次失败,但仍一直不懈地尝试探测理论上存在的时空涟漪——引力波。目前,最新研究表明,多个探测器可能最终发现引力波的存在。图片来源/National
Geographic

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。

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3、火星陨石坑:图为火星莫哈韦沙漠的陨石坑内部。目前已知的火星陨石大约有150个;对于这些陨石具体来自于火星上的什么地方,研究人员现在颇有把握。奥斯陆大学的地球演化与动力学中心的斯蒂芬妮·维尔纳(Stephanie
Werner)及其同事对火星表面的辉熔长石无球粒陨石的源头进行了搜寻。先前对辉熔长石无球粒陨石的研究提示,它们可能相当年轻,在某些陨石中它们是在不到6亿年前形成结晶的。但是维尔纳及其同事认为,所有的辉熔长石无球粒陨石源自火星的莫哈韦陨石坑——其宽度大约有55千米。研究人员对这些陨石的矿物组成与该陨石坑中的具有类似地带的矿物组成进行了比对并提出,这些陨石的年龄与该陨石坑形成的年龄一致。有可能辉熔长石无球粒陨石来自某些最古老的火星地带,但它们因为诸如撞击熔融或因水而改变等“重新设定”的过程而显得较为年轻。图片来源/AAAS

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。

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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。

4、哈勃,生日快乐:3月17日,NASA发布了一组由哈勃望远镜捕捉的猴头星云(NGC
2174)的绚丽图片,以纪念哈勃望远镜的24岁“生日”。1990年4月25日,美国航天飞机将“哈勃”望远镜送上太空轨道,由于没有大气湍流的干扰,它所获得的图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性。图片来源/NASA

永利网站网址,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。

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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。

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 6BICEP2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 7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 8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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