宇宙暴涨理论的证据存争议或被推翻

伤我心太深 · 发表于 2014-6-25 19:08:05

新的分析表明，先前认为揭示了宇宙短暂暴涨的观测证据并不是决定性的。

　　宇宙学界如今喧哗骚动。3月，BICEP2小组宣布，他们在宇宙诞生的残余辐射——宇宙微波背景（CMB）中探测到了名为B模的漩涡状偏振图样。如果宇宙经历了持续一纳纳纳纳秒的指数膨胀（暴涨）阶段，这些图样就会存在于CMB中。

　　这一发现激起了爆发式的兴奋，人们纷纷猜测如果结果得到了证实，那么最先提出暴涨模型的理论家会获得诺贝尔奖。

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　　如今所见的宇宙微波背景是我们宇宙中最古老的光线。这张全天图是通过普朗克卫星全部9个观测频段获取的，以空前的精度展示了CMB的细节。

　　但是现在，其他两个小组结合了BICEP2的数据以及普朗克卫星最新释放的数据，描绘出了不同的图景。这两个小组都宣称，他们都不能区分BICEP2小组探测到的B模信号是来自CMB的，还是来自充斥在银河系内的尘埃辐射的。

　　这篇文章会比较长，原因是这个话题很复杂，需要仔细处理。不过如果你想从这篇文章中了解些什么东西，那就应该是这样一点：我们并不知道正确的答案是什么，不过可能很快就知道了。如今我们经历的这些反复正是科学运作的方式。

　　令人费解的信号

　　这个问题有两层含义。第一，我们困在了一个星系之内。从银河系内部观测宇宙，就好像是隔着雾气笼罩、蚊虫遍布的驾驶室玻璃观看路面。观测者必须要剥离所有这些“前景”干扰，才能看到CMB。

　　在BICEP2的观测频率上，我们关注的3类主要信号是CMB（它拥有我们试图查明的某种偏振特性）、尘埃（也具有偏振特性）以及宇宙红外背景辐射（CIB，无偏振）。CIB是来自数十亿个无法分辨的富尘星系的红外光的总和，它以类似于CMB的方式弥漫在宇宙中。

　　为了将CMB的信号拣选出来，宇宙学家必须要分清从各个给定天区观测到的信号中，有多大比例是来自哪个辐射源的。为了做到这一点，BICEP2小组使用了偏振尘埃辐射的全天图，这是普朗克小组成员在2013年4月的一次会议报告中提供的。

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　　普朗克卫星提供的初步偏振辐射天空图，其中包括了宇宙红外背景辐射，它可以让银河系尘埃的偏振信号发生衰减。不同颜色表示从零到20%的偏振度。

　　不过这张天空图含有CIB的信息。由于CIB是来自大量星系尘埃辐射的总和，它看起来与银河系中的尘埃类似，只是没有偏振。如果整体审视尘埃信号的话，大约有5%的辐射是偏振的。但如果一半的信号是非偏振的，你将这部分扣除，剩余信号中的“部分偏振”有所提升，大约有10%（我这里谈到的是大致的数值）。

　　普朗克小组知道CIB是个问题，并花费了一年时间将其扣除。几周之前，他们公布了扣除CIB后初步的尘埃图。

　　两篇新的论文用到的正是这第二份天图。一个来自加州大学伯克利分校的小组以及一个来自普林斯顿大学和纽约大学的小组使用修订过的尘埃图宣称，BICEP2的小组可能低估了来自银河系尘埃的偏振。换句话说，我们并不能确切地说明BICEP2看到的B模是来自于何方的。

　　宇宙学中的频率问题

　　这里还有个很要命的但是，也就是双重问题的第二重：所有的小组都在外推。

　　普朗克的偏振图是在353 GHz的频率上获取的，在此波段上，尘埃辐射很强。但是BICEP2的观测频率是150 GHz。因此JPL的普朗克科学家查尔斯·劳伦斯（Charles Lawrence）说，宇宙学家必须要进行三步工作。

　　首先，他们需要知道在353 GHz的频率上银河系尘埃辐射的偏振度。其次银河尘埃信号的强度在不同频率各不相同，因此他们需要正确地推导出尘埃辐射较弱的150 GHz处信号的形态。再次，他们需要正确地将偏振信号分解为两个分量，也就是E模和B模。

　　BICEP2小组使用了观测天区被CIB污染的353 GHz天空图来外推150 GHz的情况。其他两个小组使用将CIB清除干净的353 GHz、但没有包含BICEP2观测天区的天空图来进行外推。普朗克小组没有公布南北银极附近的数据，原因是这些区域的观测数据处理困难得近乎荒唐。而BICEP2是观测南银极空穴的。

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　　ESA的普朗克卫星观测到的银河系磁场。该图是利用针对银河系内星际尘埃偏振辐射的第一份全天观测数据绘制而成的。

　　普朗克小组花费了如此长时间的原因是，科学家工作的对象是宇宙学尺度的。普朗克卫星以高精度测量了CMB，以测量为宇宙定性的参数，如与宇宙膨胀速度、密度等相关的数据。在结束之前，小组必须要将所有这些观测与计算彼此作关联。

　　“你在这边得到了这个方面的一个结果，而它与其他人在其他方面的结果不一致，他们说:‘哎呀！我们没有注意到这一点’，情况并不是这样的。”劳伦斯笑着说。所有的东西必须要自洽。“这是艰苦的工作，必须要正确地完成，因此它要花费这么长的时间。”

　　普朗克的数据很重要，部分原因是因为它们毋须外推。普朗克在30、44、70、100、143、217和353 GHz的频率上测量了偏振。在宇宙学家测绘天空图使用的单位上，CMB信号在不同频段并不会发生变化。但尘埃信号会发生变化。因此如果研究者能看一看不同频段上信号的变化情况，就可以有效地移除银河系前景中的尘埃了。

　　一些信息来源称，普朗克的数据将于10月公布。真正的最后期限是12月的第一个星期，此时是下一届普朗克会议预计召开的时间。劳伦斯说，数据可能会更早地全部或部分公开，不过会议的最后期限是铁板钉钉的。这些结果将包括整个任务期间获取的温度和偏振信号，而先前2013年公布的那批数据只涉及了前一半温度数据。现在判定即将公布的数据是否涉及普朗克卫星对B模的测量还为时尚早。

　　BICEP2的结果是取决于普朗克的数据的，这加大了风险。劳伦斯强调说：“每个人都同意这样一点，也就是我们必须要做对。我们无法承受这一点出错的代价。而如果再花费更长的时间，我们说：‘好吧，——怎么样？或者我们检验过这一点吗？’等等，这早晚会发生的。直到这一点完成之前，事情都没有做完。”

　　这就是凌乱的宇宙中的生活。