解讀宇宙微波背景輻射B模偏振 暴漲產生原初引力波

2020-11-22 人民網

原標題：解讀宇宙微波背景輻射B模偏振 暴漲產生原初引力波

利用一臺設在南極，名為「宇宙河外偏振背景成像」（BICEP）的望遠鏡，美國科學家捕捉到引力波在宇宙最初圖景中產生的漣漪。北京時間3月18日凌晨零點，哈佛大學史密森天體物理學中心宣布，在宇宙微波背景輻射中觀測到B模式偏振。這一發現的意義是什麼？它能如何揭示宇宙誕生之謎？

宇宙暴漲理論與引力波有什麼關係？

暴漲理論最早由美國物理學家阿蘭 古斯(Alan Guth)提出。他認為，在大爆炸後的10-37秒時，宇宙發生了一次急劇的膨脹，宇宙從不到一個原子大小膨脹到一個足球的大小。暴漲理論能解釋宇宙學家面臨的諸多難題，例如為什麼可觀察宇宙表現出驚人的一致性。儘管暴漲理論與宇宙學觀測的各項數據相符合，科學家仍缺少它存在的確鑿證據。

但宇宙學家認為，暴漲過程中短暫但劇烈的膨脹會產生引力波，將時空在一個方向壓縮的同時在另一方向拉伸。今天，原初引力波仍在宇宙中傳播，但它們極其微弱、無法直接探測。它們會在微波背景輻射中留下印跡：使輻射偏振，形成螺旋狀的特殊形態。這被科學家稱之為宇宙微波背景的B模偏振。

宇宙微波背景B模偏振的發現有什麼意義？

馬克 卡米奧庫斯基是最初對宇宙微波背景B模偏振進行計算的宇宙學家之一，這位約翰霍普金斯大學的教授評價說，這一發現如同暗能量、宇宙微波背景一樣，是幾十年才有一次的重大發現。

從科學上看，它首先驗證了暴漲理論的正確性。大爆炸之後38萬年時，輻射首次得以在宇宙中自由穿行，宇宙微波背景輻射便是那時留下的痕跡。而引力波則出現於宇宙大爆炸後一瞬間，併疊加在微波背景輻射的信號上。宇宙微波背景輻射B模式的發現，使宇宙可追溯的歷史大大提前。

這也是宇宙在暴漲過程中產生原初引力波的證據。100年前，愛因斯坦預言了引力波的存在，但他同時認為引力波非常微弱，可能永遠無法探測到。宇宙河外偏振背景成像（BICEP）望遠鏡的發現間接證明了引力波的存在，這可能是目前對引力波最為信服的證據。

過去科學家認為暴漲是一種量子現象，而引力是經典物理範疇的作用力。新發現說明引力實質上也是一種量子現象，與自然界的其他三種基礎作用力一樣。協調經典力學和量子理論一直是理論物理學家面臨的難題，宇宙微波背景的B模偏振無疑在兩者之間架設了橋梁。

只有暴漲過程能產生引力波嗎？

不，處於劇烈膨脹過程的大質量物體都有可能產生。現實中，我們可能直接探測到的引力波來自災變性天體現象，如兩個黑體碰撞並和。世界上許多觀測站點都在嘗試從這些黑洞並和現象中獲得引力波的信息。按照愛因斯坦的廣義相對論，引力波是物質作用於時空的一種方式，即在大質量物體附近，時空會彎曲。這種彎曲會在宇宙中傳播，就如同地震波在地殼中傳播一樣。但與地震波不同，引力波即使在真空中也能以光速傳播。

去年7月，位於南極的南極望遠鏡（SPT）也宣布發現宇宙微波背景輻射的B模偏振，這與哈佛大學的發現有什麼不同？

科學家預測B模偏振有兩種：一種是在穿越宇宙時，星系和暗物質的「引力透鏡」效應使輻射產生了扭曲；另一種被稱為原初模式，理論上是由暴漲產生的。南極望遠鏡發現的B模式屬於前者。

為什麼要將觀測微波背景偏振望遠鏡架設在南極？

南極望遠鏡和宇宙河外偏振背景成像望遠鏡都位於海拔2800米的南極大陸，這並不是偶然，因為大氣中的水蒸氣會吸收微波輻射，觀測宇宙微波輻射需要高海拔和乾燥的空氣。而且南極大陸至今沒有人類定居，能排除手機、電視廣播等電子設備帶來的信號幹擾。

在尋找B模偏振方面，哈佛大學的科學家有競爭對手嗎？

宇宙微波背景輻射的B模偏振是科學家們競相爭奪的寶藏。除上述南極望遠鏡外，智利的阿塔卡馬宇宙學望遠鏡等也在尋找B模式。值得一提的是「普朗克」太空望遠鏡。自2009年發射升空以來，它一直在精細勘測宇宙微波背景。去年3月，「普朗克」團隊發布了迄今精度最高的宇宙微波背景全天分布圖，有科學家基於這一分布圖計算過輻射偏振情況。「普朗克」團隊計劃今年發布第一批詳盡的全天偏振數據，這將有助於解答暴漲是如何產生的，是什麼驅動暴漲等問題。（記者 徐 玢 綜合外電）

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