去南极点见证宇宙创生的那一瞬间

UFO中文网

文/ Govert Schilling

这是地球上最大的望远镜之一，但相对于南极广袤的地貌而言，它看起来仍然小到毫不起眼。在这个令人眼花缭乱的白色冰雪世界里，12月的太阳永不下落，很难判断距离。只有当我们的小履带车停在它旁边时，南极望远镜口径10米的天线才会显得如此巨大。

【南极望远镜，口径10米，位于南极点附近，在这片最人迹罕至的冰雪荒原上，寻找宇宙诞生最初的印迹。图片来源：uchicago.edu】

没有人会想从距离这里仅有几百米之遥的美国阿蒙森－斯科特南极站步行到此。尽管在南极站的科考队员看来，接近-40℃的寒风已经算是温和了，但当我脱掉手套抓拍一些照片时，我的手指很快就麻木了。虽然我戴着护目镜，覆盖了我的半张脸，但被风吹出的眼泪依然冻结在了我的眼皮上。

美国芝加哥大学的资深科学家布拉德·本森（Brad Benson），似乎并不在意世界“底端”这片贫瘠之地的极寒和偏僻。毕竟，科考站里有音乐室、酒吧，甚至桑拿浴室——那里或许是南极大陆上最热的地方。不过，本森的热情主要源于他的工作。他和同事都热衷于追寻宇宙学的一场革命性突破。使用一年前安装到这台望远镜上的灵敏照相机，他们希望能找到宇宙诞生后最初万亿万亿万亿分之一秒的线索。如果需要为此付出一些代价，那便是来到南极。“南极是地球上最适合做这方面研究的地方，”本森边擦着他胡子上的冰晶边说。

新生的宇宙，密度和温度高到令人难以置信，并且充满了高能辐射。随着宇宙的膨胀和冷却，这些辐射的能量会被稀释，波长会被拉长；到了近140亿年后的今天，除了无所不在的微波辐射以外，什么也没有留下。对宇宙学家来说，研究这一宇宙微波背景辐射（CMB），通常又被称为“创世余辉”，是破译宇宙婴儿时期和后续演化的最佳途径。比如说，宇宙微波背景中温度的细微差异就能揭示存在于原初物质中的密度涨落，这种温度差异是在20世纪90年代由空间探测任务率先发现的。正是这些细微的密度分布不均匀性，才演化出了今天我们在宇宙中看到的星系团和巨洞。

南极望远镜建于6年前，旨在详细地研究宇宙微波背景。然而，虽然南极望远镜和其他设备对宇宙微波背景的观测可以给我们提供一幅宇宙在大爆炸后仅38万年时的动人画卷，但它们无法进一步向前回溯。在更早的时候，空间中充满了由炽热带电粒子组成的等离子体，它们会不断地吸收光子，然后再发射出来，这意味着光根本无法逃逸。只有当温度最终下降到足够低，这些粒子可以结合成中性原子时，辐射才能自由的在宇宙中穿行。因此，我们可以获得一张宇宙变得透明时的婴儿照片，却没能捕捉到它诞生的瞬间。

这太可惜了，本森说，因为理论告诉我们，那些令人兴奋的事情都发生在最初的这些稍纵即逝的瞬间。根据宇宙暴胀假说，在具有负压的神秘真空能的驱使下，宇宙在年龄只有约10-36秒时，开始指数式膨胀。在远远不足1秒的时间里，可观测宇宙从不到一个原子大，膨胀到了一个柚子那么大。幸运的是，暴胀在宇宙年龄为10-33秒时戛然而止，转而进入更平和的膨胀模式，令星系、恒星和行星得以在之后形成。

暴胀是一个流行的观点，得到了量子物理学的支持，并在一定程度上得到了一些空间探测任务的佐证，比如欧洲空间局的普朗克探测器和美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器。暴胀可以解决宇宙学中许多恼人的问题。例如，它可以解释早期宇宙中密度的起伏，就是微观量子涨落被“放大”了。它甚至有可能与今天推动宇宙加速膨胀的奇特暗能量有关。

穿透黑暗

即便如此，我们对暴胀的物理本质的认识仍少得可怜。尽管已经提出许多不同的模型，天文学家甚至还无法完全确定究竟发生了什么。无法从头到尾回溯暴胀阶段的全过程，想要甄别哪个模型是正确的，似乎不可能做到。

但是，或许还有一个方法。过去十年来，宇宙学家开始意识到，暴胀的突然停止必定会产生时空涟漪，也就是引力波。爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。与辐射不同，这些原初引力波可以穿行于高温的早期宇宙中，因此它们频率和功率可以告诉我们，暴胀停止时宇宙处于什么样的状态。

现有的引力波探测装置，比如位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的那两台一模一样的激光干涉引力波天文台，无法检测到太过微弱的原初引力波，它们建造出来是为了寻找两个黑洞或中子星碰撞所发出的引力波。然而，原初引力波应该会在宇宙微波背景中留下印迹。探测并了解这一印迹，也许能让我们鉴别不同的暴胀模型。

这也正是本森对他团队的新相机——南极望远镜偏振计（SPTpol）会如此兴奋的原因。它被设计用来精细地测量宇宙微波背景辐射中的偏振。就像阳光经湖面或路面反射后会发生偏振一样，宇宙微波背景辐射在宇宙中穿行时也会因为被电子散射而出现偏振。根据理论预言，引力波会略微改变这一偏振的模式。当这些涟漪在时空中传播时，它们会以一种独特的方式使得电子发生位移，从而在宇宙微波背景中留下它们的印迹。

【宇宙暴胀会有微波背景辐射的图案中留下独特的偏振模式。图片来源：《新科学家》。】

探测这一印迹将会很艰难——有点像在摇滚音乐会场上寻找一只蟋蟀的鸣叫。原初引力波产生的微弱偏振信号，会淹没在早期宇宙中相对来说强得多的密度涨落中。后者最初是在2002年由同在南极的角尺度干涉仪（Degree Angular Scale Interferometer）发现。本森说，没有人知道探测由引力波造成偏振模式会有多困难。“这是一个微妙的效应，”南极望远镜首席研究员约翰·卡尔斯特罗姆（John Carlstrom）说。引力波偏振迄今为止的最佳上限，就是由南极的另一台设备——宇宙河外偏振背景成像实验装置在2006年和2007年获得的。

干燥高地

为什么这么多的宇宙微波背景望远镜都选择建在地球上这个最偏远和最荒凉的地方呢？为了观察宇宙微波辐射，你需要高海拔和干燥的空气。大气中的水蒸气会吸收微波——同样的原理让你可以用微波炉来加热一杯水。于是，你不可能在海平面上观测到宇宙微波背景，因为你望远镜上方的大气中饱含了水。即便在高山之巅，你也需要真正干燥的空气。南极点的海拔高度为2830米，空气极度干燥，对每一位到访者而言，这一点都显而易见。有时，我会觉得呼吸困难，爬楼梯都有点费劲。一天下来，我的嘴唇感觉就像羊皮纸。

其实这也不算什么。微波背景各向异性阵列（AMiBA）位于美国夏威夷冒纳罗亚火山的斜坡上，海拔约3,400米。智利的阿塔卡马沙漠，条件也特别好——至少对望远镜而言如此。2012年以来，旨在测量宇宙微波背景偏振的“北极熊”（Polarbear）实验装置已经安营在海拔5200米的托哥山顶附近。2013年底，附近阿塔卡马宇宙学望远镜上的偏振计相机（ACTPol）也会加入这一行列。美国康奈尔大学的迈克·尼马克（Mike Niemack）说，它们将对宇宙微波背景的偏振进行最灵敏的测量。尼马克曾经帮助研发了南极望远镜和阿塔卡马望远镜上的这些探测器，现在则为阿塔卡马团队工作。

尼马克说，这两个团队之间的竞争是激烈的，但也是友好的。他们不会止步于目前这一代偏振计。南极望远镜偏振计相机团队已经在制造一台新的更先进的偏振计，灵敏度将是其前身的10倍。同时，尼马克及其同事也正在为阿塔卡马宇宙学望远镜设计一个更先进的偏振计相机。在追踪暴胀难以捉摸的偏振印迹方面，灵敏度、角分辨率、频段覆盖和天区覆盖全都发挥着作用。美国普林斯顿大学的戴维·斯珀格尔（David Spergel）说：“我们还不知道这个信号的强度。这在摸索中探索科学。”

由于事关如此重大，许多团队都在追寻这同一个宝藏。比如“普朗克”任务，自2009年探测器发射升空以来，就一直在以前所未有的精细程度勘测宇宙微波背景。2013年3月，“普朗克”团队公布了有史以来最精细的宇宙微波背景全天分布图。他们目前仍在分析偏振计测量的结果。欧洲空间研究和技术中心的“普朗克”项目科学家扬·陶博（Jan Tauber）说：“我们计划在大约1年后公布第一批偏振数据。”他希望“普朗克”能率先探测到由暴胀引力波产生的偏振信号。

【“普朗克”任务公布的宇宙微波背景全天分布图，揭示了大爆炸后38万年宇宙中密度分布的细微不均匀性。宇宙暴涨产生的偏振模式，或许已经被探测到了，但还有待科学家分析其中的数据。图片来源：space.com】

但“普朗克”的探测器并不比地面上的设备更灵敏，并且没有能力观测最小尺度的特征。这就给其他宇宙微波背景偏振实验留下了挑头的机会。而且，这样的实验装置有很多。

几个实验装置正在高海拔地区运转。其他装置近来则借由气球高高地飞翔在南极、澳大利亚和美国新墨西哥州的上空。比如，BICEP-2装置从2009年起就在南极点的一架小望远镜上开始工作，EBEX探测器则在2013年1月完成了在南极上空为期25天的气球飞行。

还有更多的实验正在计划之中。斯珀格尔说：“可以肯定的是，未来几年里会出现很多的进展。”他相信，通过CMB偏振证实宇宙暴胀，将会获得诺贝尔物理学奖。

而且谁知道呢，或许这些测量数据已经被采集到了——如果不是SPTPol或者“普朗克”，就是BICEP-2或EBEX。“我们计划在今年公布初步结果，”BICEP-2团队成员杰米·博克（Jamie Bock）说，“但我们仍在分析3年来获得的更强有力的数据。”这些分析涉及到校准，也就是了解仪器如何处理信号和噪声，并对系统误差进行调查。“这并非易事，”博克说，“你必须对每一个细节都谨小慎微。”

博克声称BICEP-2的灵敏度已经达到了“有趣的水平”。但对于他们团队有没有发现任何暴胀的迹象，他不愿意表态：“我不能说，就算我可以，也不能告诉你。”

目前，这个领域是敞开的。“我们不知道原初引力波会在什么程度上导致CMB偏振，”领导EBEX团队的绍尔·哈纳尼（Shaul Hanany）说，“所以我们也不知道谁会第一个探测到这个信号。不过或许两年之内就会有结果。”在飞行过程中，EBEX调节1.5米望远镜指向的一台电机出现故障，但这对最终结果的影响还有待确定。

看到像本森这样的科学家离开他们舒适的家，到世界的“底端”过上好几个月的简朴生活，你就能够意识到他们追寻暴胀确凿证据的决心到底有多么坚定。但是，这并不一定就会成功。卡尔斯特罗姆说，如果原初引力波不够强，能够透露暴胀信息的偏振模式“或许永远都不会被发现”。这并不是说暴胀没有发生过，他补充说，“基于偏振测量，你永远无法否定暴胀。”

宇宙学家并没有因为这样一种前景就心灰意冷。即使在某个水平上什么都没有看到，也能让他们排除一大类不同的暴胀模型。用斯珀格尔的话来说，“这就是进步。”