探测宇宙最初的暴涨理论

邓雪梅/编译

坐落在南极的BICEP2射电望远镜探测到来自于宇宙大爆炸后瞬间的引力波印记

如果想象一下大爆炸理论会令你头疼的话，那么大爆炸后瞬间所发生的事情会让你更加难以想象。宇宙学家们认为刚刚创生不久的宇宙——此时物质和能量极其致密和炙热——经历了一场比光速还要快的瞬间膨胀。就像一个神奇的气球，宇宙在短短10-32秒的时间里膨胀到原来大小的60倍。这一阶段，被称为暴涨，该过程甚至在宇宙演化还不到1秒的时间之前就早早结束了。

探测到引力波痕迹

现在，就在宇宙演化的137亿年之后，宇宙学家们探测到了这个暴涨阶段的第一个直接证据——这也是宇宙学领域20年中的最大发现之一。通过研究宇宙微波背景（CMB）——它是大爆炸遗留物——他们辨认出了引力波留下的痕迹。引力波是整个宇宙时空结构中的涟漪。在宇宙诞生之后，引力波便在宇宙中传播。这些引力波在宇宙微波背景中留下的印迹是理论学家几十年之前预测的结论。不久前，哈佛大学史密森天体物理中心宣布，类似于电磁相互作用等其他基本作用力一样，在最小尺度上的引力也遵循着量子力学的规律。

“这是一个令人震惊的结果。”麻省理工学院的宇宙学家艾伦·古斯（Alan Guth）说。他也是暴涨理论最早的提出者之一。古斯并没有参与史密森天体物理中心宣布的科学研究，之前他发誓要保守秘密以后，研究人员曾向他展示了一份手稿。“这一观测的可信度非常高，”他说。斯坦福大学的宇宙学家安德烈·林德（Andrei Linde）表示赞同：“如果这些结果是正确的，那么暴涨理论已经通过了迄今最难的检验。”他也是暴涨理论的建立者之一。

这一发现来自于设置在南极上的一台小而尖端的望远镜：宇宙河外偏振背景成像（BICEP）望远镜。如同可见光和其他种类的电磁辐射一样，宇宙微波的电场和磁场可以沿着任意方向无数次的振荡。研究人员通过使用BICEP望远镜来绘制在不同天区中宇宙微波背景的方向或极化。数据来自于2010年1月到2012年12月间一小块天区，研究人员发现了在宇宙微波背景中一个随机的微弱螺旋式偏振模式。这个螺旋式偏振模被称为B模，它是原始宇宙中引力波的印记。并且正如宇宙学家们指出的一样，B模也是暴涨存在的确凿证据。

“我们认为，引入B模可能是引力波的唯一途径。”哈佛大学宇宙学家约翰·科瓦奇（John Kovac）说。他是BICEP项目的四个主要研究者之一。

其重要性不言而喻

根据宇宙学标准模型，当宇宙刚诞生之时，它包含了一个与电场类似的量子场，这个量子场充满了量子涨落。暴涨把这些十分微小的涨落放大成巨大尺度，并把这些涨落留在了密度、能量和物质中。这些留在密度、能量和物质中的涨落最终形成了我们今天所看到的宇宙结构，比如星系以及其他一切。这种涨落也在宇宙微波背景温度中产生变化。通过观测遍布全天的宇宙微波背景辐射，宇宙学家已经确定宇宙成分包括了普通物质、神秘的暗物质和怪异的暗能量。

然而，由于量子力学不仅在大爆炸中产生的量子场会不断涨落，整个时空也在不断地涨落。暴涨把时空中的引力波拉长了数十亿光年的波长。这些引力波在宇宙微波背景中留下了印记，在某种程度上散射的宇宙微波背景光子产生了科瓦奇和他的同事所看到的极化模式。

BICEP利用了一些其他实验，包括欧洲空间局的普朗克探测器。普林斯顿大学宇宙学家苏珊娜·斯塔格斯（Suzanne Staggs）说，当听到这个消息时她感到很震惊。她在智利从事阿塔卡马B模搜索项目。“我越想越激动，因为信号是如此之大。”她说。

科瓦奇指出，该实验的成功在很大程度上是得益于测量微波背景辐射极化技术的发展。用于进行观测的望远镜探测器是由加州理工学院杰米·博克（Jamie Bock）所带领的团队建造的，该团队曾参与研发普朗克探测器。鉴于普朗克于2007年发射升空，“我们已经能够从事研发这台望远镜并不断升级探测器。”科瓦奇说。此外，普朗克探测器搜寻整个天区，而BICEP的望远镜则集中于一小块天区。“现在，我们正急切地等待着普朗克数据的极化结果。”科瓦奇说。

B模的发现仅仅是个开始，研究人员说。目前信号的强度告诉理论学家们在宇宙暴涨期间的能量密度。通过研究天空中较大和较小的B模统计分布，它们或许可以能拼合原始宇宙中能量和密度分布的详细图像。这将有助于明确一个精确的暴涨模型。

“对我们来说，这是巨大的，其重要性不言而喻。”约翰·霍普金斯大学宇宙学家马克·卡米奥库斯基（Marc Kamionkowski）说。“并不是每天早上你醒来都能发现在宇宙大爆炸之后的10-36秒发生了什么事情。”