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为了了解这一切是如何开始的，你必须走到地球的尽头--准确地说，是距离南极的阿蒙森-斯科特站(Amundsen-Scott Station)1公里的地方。在那里，一架望远镜蜷缩在巨大的白色荒野上，捕捉来自从时间之初足够近的光线，以寻找一个最古老问题的答案：宇宙是如何形成的。 其中一个最著名的答案是，宇宙在最初的时刻就有了惊人的增长，在短短几秒钟内膨胀的范围几乎与随后的138亿年中的膨胀范围一样大。 几年前，建造南极望远镜的研究人员确信，他们已经找到了宇宙膨胀的证据，这些漩涡图案是用远古光线写成的，标志着宇宙早期的膨胀。他们的发现登上了世界各地的头条。然后他们意识到在他们的分析中有一个错误，结果化为乌有。 但这还不是故事的结尾。那些物理学家重新开始工作，现在，差不多五年过去了，他们已经准备好了要真正抓住猎物。这一次他们一定会更加谨慎。目前至少在十年内，由于没有其他望远镜能够观测到这些难以捉摸的信号，他们升级后的探测器是我们找到万物起源真相的最好机会。 芝加哥大学的宇宙学家丹·胡珀（Dan Hooper）说：“这可能是当今宇宙学中最令人兴奋的事情。通过这些实验，我们现在正开始探索我们预期会发现膨胀信号的地区。” 这台望远镜寻找的光被称为宇宙微波背景(CMB)。在大爆炸后的38万年里，除了一堆又热又浓的亚原子粒子，什么都没有。光子，夹在它们之间，无法逃脱。然后物体冷却到足以形成氢原子，此时光子可以不受阻碍地移动。就好像有人按了一下开关：光从四面八方射出，宇宙变得透明了。CMB是由最初被释放的光子组成的。 你用肉眼看不到这束光，因为随着宇宙的扩张，它从可见光延伸成微波，因此得名。但它渗透到了所有的空间，从各个方向落在地球上，它一直是一个丰富的信息来源。法国巴黎迪德罗大学（Paris Diderot University）的雅克·德拉布罗耶（Jacques Delabrouille）表示：CMB非常特别，它是一种背景光，照射在它发射到我们之间的所有结构上，因此它基本上探测了整个宇宙的历史。” 它所能阐明的最具争议的观点之一是宇宙膨胀，这一假设描述了宇宙在最初时刻是如何膨胀的。虽然这听起来很奇怪，但对于星系在宇宙中令人惊讶的平滑分布来说，膨胀是一个很好的解释。令人惊讶的是，因为量子理论告诉我们，微小的能量波动应该在宇宙的最初时刻不断冒出来。这将导致粒子在随机的地方进入和消失，导致物质的不均匀分布，而这种分布本应随着宇宙的扩大而放大。但我们看不到这种不平衡。我们观察到的平滑宇宙可能是由一种迅速的初始增长所导致的，这种增长消除了这种不平衡的差异。 至少，这就是各种膨胀模型所争论的，而CMB已提供了一定程度的支持。2018年7月，欧洲航天局的普朗克卫星发布了有史以来最精确的CMB地图。它绘制的微小温度变化与最流行的膨胀模型中的几个关键预测基本一致。 普林斯顿大学的宇宙学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）是膨胀假说的原始设计师之一，他和其他一些人现在都认为，从本质上讲，这一假说过于灵活，无法通过观察加以排除。他们认为我们应该认真考虑一个最突出的选择：我们的宇宙是前一个宇宙崩溃和反弹的结果。最近，这个巨大的反弹场景本身也有一些“反弹”，有几个小组证明，它在理论上是可能的，而不需要引用奇怪的物理就可以实现。 CMB可以解决这一问题，但只有当我们能够更详细地了解它的微波是如何沿着行进方向螺旋前进时，我们才能增强当前的图像。普朗克确实映射了这一特性，也就是所谓的偏振，但灵敏度有限。所以即使到了现在，我们也几乎没有触及到问题的表面。德拉布罗耶说：“这就是CMB最后的秘密所在。” 他们的想法是，一次猛烈的膨胀会在早期宇宙的结构中造成动荡，产生引力波。激光干涉引力波观测站(LIGO)的创始人因探测黑洞碰撞产生的时空涟漪而在2017年获得诺贝尔物理学奖。即便如此，这些微小的波也会在宇宙微波背景波的偏振过程中留下印记，形成一种被称为B模式的涡流模式。 英国卡迪夫大学的埃尔米尼娅·卡拉布雷斯（Erminia Calabrese）说：“这个信号的幅度在不同的膨胀模型之间可能会有所不同。因此，衡量这一特征不仅将成为膨胀的明确证据，还将告诉我们它是如何发生的。” 问题是，原始引力波在扭曲这一远古光时留下的任何信号，都将极其难以辨认出来。首先，它们是非常微妙的，远远小于普朗克所描绘的温度波动。还有一个额外的复杂之处，那就是它们必须从宇宙中所有其他能扭曲光线的物质所创造的相似的外观模式中被梳理出来。 没有人比BICEP2望远镜的研究人员更了解这一点，BICEP2望远镜是位于南极的一组小型天文台之一。2014年3月，他们宣布在宇宙微波背景偏振中探测到了原始引力波的特征。世界各地的报纸头条报道了这一发现。但是更仔细的观察表明，这个信号并不是由原始的涟漪引起的，而是一种更普通的东西引起的：充满我们星系的尘埃。 在BICEP2望远镜观察到的频率范围内，微观颗粒倾向于与局部磁场对齐，这样微波散射就能产生B模图案。BICEP小组知道这一点，但严重低估了灰尘对他们信号的影响。 对所有参与的人来说，这次失误是一次令人痛心的经历。研究人员继续回到了研究中，注意如何将信号与噪音分开。他们每年夏天都会回到南极去升级他们的仪器。哈佛大学(Harvard University)的约翰·科瓦克(John Kovac)，他领导了重新命名的BICEP / Keck阵列项目，他说：“这是我最喜欢的事情之一。我们建造了这些望远镜，我们仍然可以去那里修补它们。这是一次真正的冒险。” 修修补补还是不够的。自2014年以来，科瓦克和他的同事们极大地提高了望远镜的原始灵敏度。BICEP2的探测器有256个像素，但它的后继者BICEP3拥有1280个像素，他们还增加了Keck阵列。南极望远镜的负责人约翰·卡尔斯特罗姆(John Carlstrom)说：“改进是巨大的，就敏感性而言，我认为没有人与BICEP/Keck的人亲近。” 同样，Keck阵列允许团队调整到不同的特定波长。这是有用的，因为普朗克最近表明，银河系的某些波长的光比其他波长的光更具偏振性，而由原始引力波产生的偏振应该保持一致。科瓦茨说：“这这可能是最重要的一课，如果你看到一个不随波长变化的信号，你就会发现一些东西。 进一步的推动来自南极望远镜，它研究的CMB的天空范围比BICEP/Keck阵列更宽。这使得它成为绘制前景污染的另一个来源的强大工具。事实证明，星系的引力使宇宙微波背景波变形，创造了一个令人难以置信的原始B模式的模拟。然而，在过去的两年里，卡尔斯特罗姆和他的团队已经证明，他们可以测量这种扭曲，这意味着他们可以将其从图片中删除。 科瓦克说：“现在我们可以结合这些方法，我们有一个更强大的方法来分离信号和噪声，我们可以比以往任何时候都更深入地挖掘。”事实上，他们已经开始了。最新的BICEP/Keck阵列设置于2016年开始收集数据，目前正在进行改进。问题是，如果CMB真的埋在那里，它能否深入到足以揭露膨胀的信号呢？ 每年夏天，科学家们都会飞来对南极望远镜BICEP2和Keck阵列进行微调 科瓦克谨慎是可以理解的。他说，任何探测都需要进行各种交叉检查，首先是用其他望远镜观察不同的天空区域看到相同的信号。同样，很大程度上取决于信号的大小。科瓦克仔细考虑后的反应中仍隐藏着明显的乐观情绪。 这种乐观的原因可能是B模式可能潜伏在狭小的窗口中。我们是否能够检测它们取决于它们的强度，我们可以通过测量CMB的统计特性(即张量与标量比率)来识别它们。2018年公布的普朗克CMB地图显示，这一比例必须超过0.001。去年10月公布的BICEP的最新测量结果表明，这一数值不能超过0.06。结果是，如果最受欢迎的膨胀模型是正确的，那么原始引力波应该隐藏在两者之间的某个地方，就是BICEP/Keck阵列开始探测的能量窗口。 科学家们已经在准备一种BICEP/Keck阵列什么也看不见的场景，计划下一代地面CMB望远镜的合作，它的总能量将是所有现有观测台总和的10倍。有些人甚至在设计太空望远镜。但所有这些计划仍在筹划之中。那么，对于一个小团体来说，有一个巨大的机会来改变我们对宇宙的理解。希格斯玻色子是由数百名科学家组成的团队发现的。另一方面，BICEP/Keck团队可以用两个望远镜和一个60多人的团队做出类似的重大发现。 如果原始的B模式信号位于能量窗口的顶部，它很快就会被观测到。科瓦克说：“如果信号出现在这个范围的高端，事情就会变得更有趣。” 去年10月份发布的测量结果是在2015年仅使用BICEP收集的。但到目前为止，天文台的两个部分已经收集了两年的数据，但都没有公布。 “举证责任是巨大的，”卡尔斯特罗姆说。“我们知道信号埋得很深。但我们必须做这个测量。我们有机会看到时间的曙光。” |
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