宇宙暴涨的第一条直接证据

原文标题：First Direct Evidence of Big Bang Inflation

作者：Camille Carlisle   原文来自：SkyandTelescope.com   Posted: 2014. 3. 17

编译：Melipal    审校：Linq 

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。

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 sigma，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《天空和望远镜》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、图像以及视频请点击BICEP2小组的 网站。

（全文完）