約50年前,人類首次探測到了宇宙大爆炸的“晚霞”——宇宙微波背景(CMB),它是一束由長波長光子組成的暗淡光線。3月17日,天文學家聲稱,安置在南極的微波探測器BICEP2首次記錄下“B模式”信號,該信號是CMB中一種難以捕捉的渦流數據,是早期宇宙的一段烙印。
宇宙大爆炸理論認為,爆炸發生之後會立刻產生大量輻射,而輻射會生成蔓延整個宇宙的引力波。本次探測到的B模式信號就是引力波在宇宙時空結構中存在的直接證據。
現在最關鍵的問題是:本次探測到的B模式信號是否是真實的?如果結果像絕大多數領域內專家所認為的那樣——是肯定的答案,那麼許多更加廣泛精確的測量手段將會出現,B模式天文學研究將進入一個新紀元。
科學家希望通過研究B模式信號弄清宇宙大爆炸後星系形成和聚集的方式,同時對宇宙最初的形態有更深刻的瞭解。隨著B模式信號研究的推進,許多原本神秘的因素,例如掌控宇宙形狀和命運的暗物質和暗能量,也將一一展露它們的秘密。
英國劍橋大學宇宙學家George Efstathiou說:“CMB是我們研究早期宇宙最好的一個突破口。”不過,研究早期宇宙單靠B模式研究是不夠的。本次探測到的信號有局限性,且各項正在開展的研究之間沒有進行很好的協調。此外,目前可用於研究的手段也是有限的。
研究初期
B模式信號的發現純粹是一個“幸福的意外”。1964年3月20日,美國新澤西州霍姆斯市貝爾實驗室的Arno Penzias和Robert Wilson在繪製銀河系的射電輻射圖時注意到了一股微弱的信號,該信號似乎是來自各個方向。起初,他們認為它是當地人類活動的產物,直到與一名同事交流後才認定它來自宇宙。
對於B模式信號,宇宙大爆炸理論長期以來一直都有預測。該理論認為宇宙不是一直存在的也不是亙古不變的,而是在某一時刻經過一場大爆炸而形成的,本次發現是支持該理論的強力證據。
Penzias和Wilson的發現證明,宇宙的溫度曾一度比今天高很多。他們記錄下來的光子是宇宙大爆炸38萬年之後被釋放出來的——當時正在不斷延伸的宇宙空間已經冷卻到足以使電子和質子結合形成氫原子的階段。光子在宇宙中不停穿梭,它完好地保存著被釋放時所記錄下來的“宇宙片段”。
1990年,美國宇航局(NASA)發射的宇宙背景探險者衛星(COBE)首次精確測量出CMB的溫度為2.725開爾文,且證明無論從任何方向測量結果都是一樣的。這表明原始的等離子體具有始終如一的特性。
但科學家很快就證明CMB是不均衡分佈的。1992年,COBE項目科學家發現,隨著宇宙延伸,CMB的溫度相差約為十萬分之一。這種微小的“各向異性”蘊涵著宇宙進化過程的重要信息。
光子在被釋放出來時會在CMB內形成“熱點”和“冷點”,代表著不同區域中氣體密度的微小差異。絕大多數宇宙學家認為這種差異的形成受到了重力的影響。在重力作用下,宇宙氣體密度較大的區域會開始聚合併形成星系。
“各向異性”的發現還引發了理論家的靈感,進而提升了人們對CMB的認知。科學家認為,CMB中“熱點”和“冷點”的大小是由宇宙中大量的壓力波和密度波所決定的。隨著宇宙的伸展,兩種波動的頻率有高有低,就如同小提琴內的諧波回聲一般。
天文學家通過研究CMB中兩種波動的主頻或聲峰能推斷出宇宙的許多物理特性。例如最大的聲峰波動在1度左右,相當於月球直徑的2倍大小。這恰好和理論中推測的一樣,證明不斷延展的宇宙是一個幾何平面,因此在宇宙中穿梭的平行光線永遠不會相交。
此外,第二大聲峰波動大約為0.4度,天文學家據此推測:普通的物質如原子、行星以及恆星的總質量只佔全宇宙總質量的不到5%,剩下95%的物質都是不可見的暗物質和暗能量。
極化現象
10年前,科學家研製出了對光子的極化具有高靈敏度的探測器,此後CMB研究進入了一個新階段。極化現象是由宇宙等離子體內的光子散射出自由移動的電子而產生的,而最有可能測量這種現象的途徑就是B模式。科學家相信通過研究B模式能找到直接的證據證明:宇宙在剛生成的10-36~10-32秒左右經歷過極其強大的輻射。
理論家於上世紀80年代早期提出了一個設想,用於解釋為何宇宙在總體上是呈一個平滑的幾何平面的。他們認為,宇宙的急速膨脹會將絕大多數不規則的物質驅離出去,並將一切彎曲的物質壓平。所剩不多的不規則物質在CMB中以溫度的各向異性呈現,能極大地放大宇宙能量中原本微小的量子波動。
但以上都是理論假設,研究者必須具備測量B模式的能力才能予以證明。這要求他們找到一種能識別微弱信號的方法,而後者很容易被宇宙塵埃和星系磁場釋放出的極化物質所掩蓋。此次BICEP2探測器偵測到的B模式信號的規模在1度左右,足以避免星系磁場的干擾。
研究者可以據此探尋一些最基本的極化模式,例如不斷膨脹的引力波。BICEP2的探測結果令整個宇宙學界振奮不已,但也帶來了新的疑問:BICEP2探測到的極化模式的強度極大地超過了任何一個宇宙模型的預測。
在接下來的數年時間裡,共有6項實驗將在南極洲和智利開展,專門用來確認BICEP2探測結果的真實性。此外,普朗克衛星的研究數據將於今年秋季公佈,其中包括新繪製出的極化圖。
宇宙學家對此抱有更高的期待,因為普朗克衛星的探測範圍比陸基探測器的探測範圍更大。相較於後者只能探測到未被空氣中的水蒸氣吸收的窄波段輻射頻率,普朗克衛星的超強探測能力可為天文學家提供“一覽無遺”的視野。如果普朗克衛星證明BICEP2的發現是真實的,那麼整個學界將為此狂歡。如果結果不理想,宇宙學家必須對此作出合理的解釋,那將是一項艱巨的挑戰。
下一代實驗
在“糾結”於BICEP2探測結果的同時,研究CMB的科學家也在著重提升測量B模式的能力。例如,目前有許多用於精確測量輻射的理論,每一種理論都對引力波在宇宙的分佈提出了具體推測。掌握測量B模式的方法有助於天文學家梳理並排除明顯是錯誤的理論。
此外,B模式還與宇宙中的質量分佈以及星系的聚合方式密切相關。科學家通過研究B模式信號可以解開不少宇宙中未解的謎題,例如瞭解暗能量的性質和識別不可見的暗物質粒子。前者使宇宙的膨脹速度加快,而後者則佔有宇宙總質量的絕大部分。
通過將宇宙中氫的研究和B模式信號的研究相結合,科學家能探測到宇宙中第一顆恆星和第一批星系發射出的電離輻射。科學家認為,從那個年代分散出來的電子必定含有CMB中B模型的重要極化信息。
但是,資金短缺是橫亙在B模式研究面前的一道坎。一些天文學家建議削減一些研究B模式的陸基實驗項目,他們抱怨這些陸基的CMB研究項目不願共享研究數據。但另一些人認為,陸基實驗項目更加經濟,且兩種渠道齊頭並進能確保更好地推進B模式研究。歸根結底,所有人都認可的一點是:開展太空CMB研究項目勢在必行。
儘管未來有許多不確定性,但研究CMB的科學家仍然鬥志滿滿。Efstathiou說:“仁慈的大自然給予我們如此珍貴的禮物,讓我們有機會看清早期的宇宙是什麼樣子。我們必須牢牢把握機會,一探究竟。”
