德赢_极化宇宙暴胀理论固然相当做功,但仍是受困在一些问题!

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宇宙学家在持久试探宇宙创生时的景象,而今他们已从试探走向探测,这是一个大年夜的跃进。

自20世纪60年代发现宇宙微波布景辐射(CMB)后,理论家就预言,它是宇宙历史资料的宝库。此刻,人们就在向CMB找底细。最故意思的是,除探险家以外一贯遭到萧瑟的南极洲,此刻变得强烈热闹起来。

6年前,美国人在南极洲成立了———南极千里镜(SPT)

,其天线盘直径长达10米。著名科学家拜生等人,今朝在SPT小组工作。他们从南极站到SPT处,不过几百米之遥,乘坐履带车却走得相当艰难———-40℃的冬风都算是和风拂面了。摘下手套去拿图纸的片刻,手指就冻僵了。头上戴着遮面的厚帽,胡须上却结着呼出气体所结成的冰珠。在如此不适在生活的地方,他们却满盈着工作的热情,只因他们要在宇宙学中找到一个打破性的发现———宇宙出世的一个瞬间。

新生宇宙近在无限的密实、极高的温度。随着宇宙的膨胀而冷却,辐射的能量也就此稀薄,其波长变长,在140亿年后,全数空间布满了微波辐射,天文界称之为CMB。这是解读婴儿宇宙和后来来演化的最好宇宙学资料库。例如,在CMB上的藐小温度改变,揭穿出宇宙等分布着疏密不合的物质块,这些物质块此后会生成我们今日所见的星系团和空穴。

SPT专做CMB的具体不雅观测和研究,但不管你看多么留意,你只能看到一幅宇宙的婴儿图像(大年夜爆炸后38万年的时刻)。

我们没法再往前不雅观察,因为早期宇宙布满了沸腾的等离子体,它不竭地领受和放射光子———这意味着光子没法逃出这个空间,即宇宙是不透明的,只有温度下降得足够低,使得这些粒子组合成中性原子时,辐射和光才能自由地穿过宇宙空间。是以,我们从宇宙变得透明的时刻只能取得一幅婴儿宇宙的相片,而没法获得其出世时的瞬间图像。

在宇宙创生后的更早时刻,理论奉告我们发生了宇宙暴胀,空间闪现指数性的快速膨胀,它始在宇宙最初的10-36秒,为一种神秘的带有负压的真空能所敦促。在这短暂的时刻,可不雅观察宇宙从比原子小的尺寸扩大年夜到一颗葡萄那么大年夜。侥幸的是,暴胀至此结束(此时为10-33秒),宇宙进入了平稳的膨胀状态,星系、恒星、行星得以生成。

暴胀是一个众所周知的理论,为量子事理所撑持,并在必定程度上获得不雅观测的验证。它注释了宇宙学中良多的坚苦。例如,它注释了早期宇宙学中的密度改变,那是一种藐小的量子起伏,是暴胀放大年夜的功效,甚至有可能和神秘的暗能量有关,正是它加速了今日宇宙的膨胀。

暴胀理论当然相当作功,但还是受困在一些问题。首先,暴胀论有较多的版本,天文学家不能全数接收。事实孰是孰非却又很鉴定,因为我们没法不雅观察到暴胀期的底细。

而今峰回路转。在畴昔的10年中,宇宙学家熟习到,暴胀的突然停止必将在时空中产生振动,组成时空的波纹,这便是引力波,是爱因斯坦广义相对论所预言的。这些原始引力波可经过进程灼热的早期宇宙,故它们的频率和能量将显示出暴胀停止时的宇宙状态。是以,只要我们能找到原始引力波,我们即可以得知宇宙最初(10-33秒)瞬间的景象。

理论家认为,引力波多是不变的或偶发的,视不合性质的波源而定,其频率覆盖度甚大年夜,从10-17赫兹~1022赫兹,相差39个数量级,而其最大年夜的波长长度,相当在宇宙的跨度。研究者相信,它们一定会在CMB上留下印迹。若我们找到这些痕迹,即可以识别出不合版本的暴胀模型,从而体会暴胀的底细。

拜生小组为他们的新型设备倍感兴奋,因为该千里镜配上了极化计,可以用来测CMB的极化现象。这个极化现象,是CMB在旅途中被电子散射而激发的。引力波可以暗暗地改变极化的样式,在其波纹经过进程时空时较着地移动电子,从而在CMB上留下印迹。

来自原始引力波的极化旗帜暗号极微弱,频率很低,皆被强良多的旗帜暗号———早期宇宙中的密度起伏———所覆盖。拜生说,没有人知道测量引力波极化现象有多坚苦。

为何测量CMB极化的设备要设在如此遥远、不适合人居住的地方?那是因为不雅观测CMB辐射需要一个高而广的区域。大年夜气中的水蒸气领受微波,故在海面上不能不雅观测CMB,因为千里镜上方布满着含水分的大年夜气,即使在高山顶上也需要真正干燥的空气。而南极处在(海平面上)2830米的高度,且大年夜气极干燥。

微波布景各向异性阵列(AMIBA),设在夏威夷高地3400米高的斜坡上。对千里镜来说,条件最为优越的要数智利阿塔卡马沙漠了。自2012年以来,何处一贯进行的北极熊测验考试,就是为了测量CMB极化。这些设备皆设在Cerro Toco顶上,高达5200米。2013年晚些时辰,近旁的阿塔卡马宇宙学千里镜极化计摄像机也将参与这一测验考试。这将供给史无前例的、最活络的CMB极化测量。

有两个小组间的竞争十分猛烈,但很和睦,他们不会勾留在现今这一极化计上。SPT极化计小组已在研制新的、更高级的仪器,其活络度比先前的高10倍。而阿塔卡马小组则正在设计前进先辈的阿塔卡马极化计。在取得暴胀的印迹———难以琢磨的极化图形———方面,活络度、角辩白率、频率覆盖面和天空覆盖面皆起着相当首要的传染感动。柏林斯顿大年夜学的D.斯伯格说:“我们迄今不知道这个旗帜暗号的强度,这是一门试探性的科学。”

科学界花了那么大年夜的极力,都是为了取得同一猎物。例如,普朗克千里镜早在2009年发射以来一贯在绘制具体的CMB图。2013年3月,该研究组发布了迄今以来最好的CMB图,它覆盖了全数天空。他们还在分析来自该千里镜极化计的测量数据。欧洲空间研究和手艺中心的负责人说:“我们筹算发布极化计一年来测得的首批数据。”

可是,普朗克千里镜的活络度不如某些基地探测设备,不能测到最小范围(极化)的现象。这便给其他的CMB极化测量研究组带来夺冠的可能。

还一些研究者的测验考试在较高的位置进行。有些研究者把仪器设备置在气球之下,翱翔在南极洲、Australia和新墨西哥的高空中。BICEP2的探测设备位在南极的一台小千里镜上,EBEX的探测器早在2013年1月在南极洲完成了25天的气球翱翔。

还良多测验考试已在筹算傍边。斯伯格说:“我敢一定,在尔后的几年中,这方面必有较大年夜的成长。”他相信,经过进程测到CMB极化而确证暴胀将获得诺贝尔奖。

也有人说,测量功效早已汇集到手。BICEP小组成员J.博克说:“我们筹算发布2013年的初步功效。我们今朝正在分析3年来更有分量的数据。分析触和校正、确切地体会仪器对旗帜暗号和噪声的分辨,和查询造访系统的误差。而这是不等闲的。”

博克传播鼓吹,BICEP2的活络度已达到令人知足的水平,但他没有提到该小组是否是已找到了暴胀的印迹。EBEX小组的领头人S.海纳尼说:“我们也不知道谁将首先测得这个旗帜暗号,但这一探测功效必将在比来两年取得。”

看到像拜生那样的科学家,分隔舒适的家,去往这个世界的极地,过着严重的生活。这一切使我们熟习到,他们是若何认真地追寻大年夜自然的真理———暴胀的坚实证据。要知道,这一艰辛极力并没有一定成功的保障。假设原始引力波较微弱,那么戳穿底细的极化现象有可能永远发现不了。但科学界其实不是以而对前景感应沮丧,他们总会有方法获得成功的!


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