解读宇宙微波背景辐射B模偏振 暴涨产生原初引力波

2014-3-19 09:49 来源: 中国科技网-科技日报
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  利用一台设在南极,名为“宇宙河外偏振背景成像”(BICEP)的望远镜,美国科学家捕捉到引力波在宇宙最初图景中产生的涟漪。北京时间3月18 日凌晨零点,哈佛大学史密森天体物理学中心宣布,在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振。这一发现的意义是什么?它能如何揭示宇宙诞生之谜?

  宇宙暴涨理论与引力波有什么关系?

  暴涨理论最早由美国物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)提出。他认为,在大爆炸后的10-37秒时,宇宙发生了一次急剧的膨胀,宇宙从不到一个原子大小膨胀到一个足球的大小。暴涨理论能解释宇宙学家面临的诸多难题,例如为什么可观察宇宙表现出惊人的一致性。尽管暴涨理论与宇宙学观测的各项数据相符合,科学家仍缺少它存在的确凿证据。

  但宇宙学家认为,暴涨过程中短暂但剧烈的膨胀会产生引力波,将时空在一个方向压缩的同时在另一方向拉伸。今天,原初引力波仍在宇宙中传播,但它们极其微弱、无法直接探测。它们会在微波背景辐射中留下印迹:使辐射偏振,形成螺旋状的特殊形态。这被科学家称之为宇宙微波背景的B模偏振。

  宇宙微波背景B模偏振的发现有什么意义?

  马克·卡米奥库斯基是最初对宇宙微波背景B模偏振进行计算的宇宙学家之一,这位约翰霍普金斯大学的教授评价说,这一发现如同暗能量、宇宙微波背景一样,是几十年才有一次的重大发现。

  从科学上看,它首先验证了暴涨理论的正确性。大爆炸之后38万年时,辐射首次得以在宇宙中自由穿行,宇宙微波背景辐射便是那时留下的痕迹。而引力波则出现于宇宙大爆炸后一瞬间,并叠加在微波背景辐射的信号上。宇宙微波背景辐射B模式的发现,使宇宙可追溯的历史大大提前。

  这也是宇宙在暴涨过程中产生原初引力波的证据。100年前,爱因斯坦预言了引力波的存在,但他同时认为引力波非常微弱,可能永远无法探测到。宇宙河外偏振背景成像(BICEP)望远镜的发现间接证明了引力波的存在,这可能是目前对引力波最为信服的证据。

  过去科学家认为暴涨是一种量子现象,而引力是经典物理范畴的作用力。新发现说明引力实质上也是一种量子现象,与自然界的其他三种基础作用力一样。协调经典力学和量子理论一直是理论物理学家面临的难题,宇宙微波背景的B模偏振无疑在两者之间架设了桥梁。

  只有暴涨过程能产生引力波吗?

  不,处于剧烈膨胀过程的大质量物体都有可能产生。现实中,我们可能直接探测到的引力波来自灾变性天体现象,如两个黑体碰撞并和。世界上许多观测站点都在尝试从这些黑洞并和现象中获得引力波的信息。按照爱因斯坦的广义相对论,引力波是物质作用于时空的一种方式,即在大质量物体附近,时空会弯曲。这种弯曲会在宇宙中传播,就如同地震波在地壳中传播一样。但与地震波不同,引力波即使在真空中也能以光速传播。

  去年7月,位于南极的南极望远镜(SPT)也宣布发现宇宙微波背景辐射的B模偏振,这与哈佛大学的发现有什么不同?

  科学家预测B模偏振有两种:一种是在穿越宇宙时,星系和暗物质的“引力透镜”效应使辐射产生了扭曲;另一种被称为原初模式,理论上是由暴涨产生的。南极望远镜发现的B模式属于前者。

  为什么要将观测微波背景偏振望远镜架设在南极?

  南极望远镜和宇宙河外偏振背景成像望远镜都位于海拔2800米的南极大陆,这并不是偶然,因为大气中的水蒸气会吸收微波辐射,观测宇宙微波辐射需要高海拔和干燥的空气。而且南极大陆至今没有人类定居,能排除手机、电视广播等电子设备带来的信号干扰。

  在寻找B模偏振方面,哈佛大学的科学家有竞争对手吗?

  宇宙微波背景辐射的B模偏振是科学家们竞相争夺的宝藏。除上述南极望远镜外,智利的阿塔卡马宇宙学望远镜等也在寻找B模式。值得一提的是“普朗克” 太空望远镜。自2009年发射升空以来,它一直在精细勘测宇宙微波背景。去年3月,“普朗克”团队发布了迄今精度最高的宇宙微波背景全天分布图,有科学家基于这一分布图计算过辐射偏振情况。“普朗克”团队计划今年发布第一批详尽的全天偏振数据,这将有助于解答暴涨是如何产生的,是什么驱动暴涨等问题。