宇宙微波背景辐射中发现引力波：暴涨论接近证实

晨 风

据《物理世界》网站报道，近日南极望远镜（SPT）在宇宙微波背景辐射（CMB）中探查到光线的细微弯曲，这被称作“B模极化”。这一现象在科学界预言已久，此次对其存在的证实，将为最终对大爆炸宇宙学中的一项关键理论，即暴涨理论进行验证铺平道路。

查克·本内特（Chuck Bennett）是美国约翰·霍普金斯大学宇宙微波背景辐射观测方面的顶级专家，但他本人并未参与这项研究。他说：“尽管这一现象完全在预料之内，但实际探测到它仍然应被视为是利用宇宙微波背景辐射进行宇宙学研究的一个里程碑。这是一项可靠的研究，我相信它得到的结果。”

宇宙微波背景辐射有时也会被称作是大爆炸的余晖，它是在宇宙诞生后大约38万年，当宇宙中第一批原子开始形成，空间第一次开始变得透明时产生的宇宙第一道光芒。简单来说，这一辐射背景波长在微米区段，温度大约为3K，其中隐含着将帮助我们了解极早期宇宙谜团的信息。对于宇宙微波背景辐射，其中最引人注目的一项特征是其各处存在的大约100 μK范围内的温度差异，这显示在极早期宇宙中存在密度差异，这种差异正是如今宇宙中能够形成星系和恒星的基础。

散射引发的极化

然而，宇宙微波背景辐射并不仅仅是在温度上存在涨落，这一辐射受到极早期宇宙中原子的散射后抵达我们的观测设备，这就像是晴天太阳光线中的蓝光在空气中被大气分子散射之后抵达我们的眼睛一样。为了检验这种说法，你可以带上一副偏振镜片眼镜来进行观察，一样的道理，科学家们也会使用类似的方法对宇宙微波背景辐射进行观察。2002年，设在南极洲的DASI干涉仪首次检测到宇宙微波背景辐射中的极化现象，这一发现帮助宇宙学家们加深对早期宇宙动力学的了解。

这种极化被称作E模，其描述的是CMB中各个不同方向上的极化强度。但除此之外还有更加微妙的B模，其描述的是CMB极化的旋转或弯曲。B模中的大部分效应是由星系形成的引力透镜效应产生的，将具有E-模特征的光线在其将近140亿年的旅途中，在其从宇宙的另一边抵达我们这里时进行了“弯曲”。这种弯曲程度极其微小，其变化幅度不超过 0.4 μK，相当于CMB温度分布下的1/1000万。正如加拿大麦吉尔大学的南极望远镜项目组成员杜坎·汉森（Duncan Hanson）所表示的那样：“B模的测量非常困难。”

南极望远镜之所以能探测到B模极化，很大程度上要归功于其探测设备的改进。尽管这项探测结果的应用范围可能很小，但它将打开实验宇宙学的大门。一旦取得分辨率更高的数据，B模信号将帮助宇宙学家们给出中微子质量的更严格限制，而这是宇宙学标准模型所无法给出的。

宇宙涟漪

然而这项发现将可能带来的最大奖赏便是使用B模信号来揭示原始引力波的存在，即一种存在于宇宙时空之中的巨大涟漪。科学家们认为这种涟漪产生于暴涨过程之中，暴涨理论最早是由美国物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）提出来的。这是宇宙诞生之初经历的一次急剧膨胀的过程，在这一过程中产生了今天所见的宇宙大尺度结构。

尽管当代的绝大部分宇宙学家都相信暴涨理论，这项理论却缺乏一些重要的细节，如它是如何发生的，又是如何结束的，并且我们没有任何手段可以去测试其真伪。而如果能探测到极早期宇宙中的原始引力波，那么这将是暴涨过程存在的确凿证据。

美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学宇宙学家阿瑟·科索斯基（Arthur Kosowsky）表示：“能够在引力波中探测到B模的可能性已经值得投入大量精力开展实验。”他说：“南极望远镜是第一台探测到B模的设备，目前正有另外几台设备正准备跟进观测，在未来十年内我们将最终构建一个完整的图景，而现在正是我们朝向这个目标迈出的第一步。”

其他望远镜设备

引力波B模可以被欧洲空间局正运行于地球轨道上的普朗克卫星观测到，另外还有坐落在南极望远镜旁侧的另一台望远镜BICEP，以及坐落于智利北部的ACT望远镜和POLARBEAR望远镜。如果这些地基望远镜中有一台最终证明这一发现，那么这将是继宇宙微波背景辐射之后又一次由地基望远镜做出的重大宇宙学实验发现。1964年，美国天文学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔森（Robert Wilson）使用一台地面射电望远镜首次发现宇宙微波背景辐射。

美国芝加哥大学南极望远镜项目首席科学家约翰·卡尔斯托姆（John Carlstrom）说：“很多进展都来自太空，因此有时候我们甚至都很容易忘掉地面上的望远镜。然而实际上，地面望远镜，包括气球以及短期飞行航空器都是开展实验项目极重要的手段，一直以来都起到了非常关键的作用，现在的情况依然如此。”