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宇宙微波背景漩涡观测有助揭示大爆炸后瞬间景象

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核心提示:科学家观测到宇宙大爆炸的辐射——所谓的宇宙微波背景(CMB)——中的漩涡模式。该观测将会使科学家更加直观地了解在宇宙大爆炸后不到一秒钟的时间里发生了什么,还可能阐明所有这一切是如何开始的。

宇宙微波背景漩涡观测有助揭示大爆炸后瞬间景象

宇宙微波背景漩涡观测有助揭示大爆炸后瞬间景象

科学家已经观测到宇宙大爆炸的辐射——所谓的宇宙微波背景(CMB)——中的漩涡模式。由于研究人员已经了解这些特殊的漩涡或者说“B-模式”起源于传统天体物理学,因此该观测结果本身并不惊人。不过,研究表明,科学家正在接近一个更大的发现:在婴儿期贯穿整个宇宙的引力波产生了B-模式。该观测将会使科学家更加直观地了解在宇宙大爆炸后不到一秒钟的时间里发生了什么,还可能阐明所有这一切是如何开始的。

“我认为这是一个很大的进步。”美国马里兰州巴尔的摩市约翰斯·霍普金斯大学宇宙学家Charles Bennett如是说,他并没有参与观测。“这是我们可以了解引力波信号的一个充满希望的迹象。”

自1965年被发现起,CMB就为宇宙学家证明了大量信息。1992年,美国宇航局(NASA)宇宙背景探测器(COBE)测量了辐射光谱,并发现它具有科学家所期待的特点。COBE还探测到CMB温度的10万种变化中的一部分,揭示了很多宇宙信息。2003年,NASA的威金森微波非等向性探测器(WMAP)和其他实验对这些变化进行了统计研究,发现其与一个模型相吻合。在该模型中,宇宙包含5%的普通物质、24%的暗物质,以及71%的暗能量。今年早些时候,欧洲航天局(ESA)的普朗克太空探测器有力地证实了该标准宇宙模型。

科学家怀疑,CMB可能还隐藏着更多的信息。根据标准物理学,温度变化反映了新生宇宙的微小量子波动。宇宙在最初的比光速还要快的膨胀中,反复加倍增长至原大小的60倍,这些量子波动也扩大至巨大的规模。暗物质和普通物质在受到引力作用后,也进入到波动中,成为星系的雏形。宇宙膨胀也可能在CMD中留下了印记。

CMB中的微波可以像湖面反射光一样发生偏振。在一片天空中,随机的偏振模式可以被分为两个有所重叠的部分:B-模式——偏振形成右旋或者左旋,以及不能形成左旋或右旋的E-模式。早期宇宙中物质聚合只能形成E-模式,而宇宙膨胀期间的引力波可以产生B-模式。那些“最初的”B-模式强度可以揭示宇宙在膨胀期间的能量强度,并解释宇宙膨胀是如何发生的。

不过,科学家必须首先探测到B-模式的任何形式。这正是使用10米南极望远镜(SPT)的研究团队所做的事。该团队的领导者、加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的天体物理学家Duncan Hanson在论文中描述,B-模式可能来自太阳系的“前景”辐射,或者是当由巨大的物质网络填充的宇宙的引力扭曲了CMB中的E-模式图像时产生的。7月22日,该论文发表在arXiv预印本文献库上。

开始时,Hanson和同事使用了ESA的赫歇尔太空望远镜的宇宙红外辐射数据估算宇宙的质量分布。然后,他们计算了该质量分布对SPT观测到的E-模式图像的影响,以此预测伸展小于1度的B-模式。通过使用该模板,研究人员可以从数据本身中梳理出B-模式。Hanson称,仅使用CMB数据来观测B-模式是可能的,但是“我们试图在首次探测中尽量保守,所以我们选择了对设备影响最不敏感的分析”。普林斯顿大学的宇宙学家David Spergel表示,观测本身可能很有用。对CMB中遥远星系或温度变化的图像观测已经提供了宇宙中物质分布的信息。不过,对CMB偏振的观测应该可以提供更清晰的分布信息。

Bennett称,普朗克太空探测器并不是专为寻找B-模式所设计的,所以要想完成该发现还需要漫长的观测。他还表示,理论并不能预测最初的B-模式的信号强度。“我们真的不清楚膨胀信号有多么弱,所以我们也许不能由此取得进展。”不过,他说,信号应该比想象中强烈——在这种情况下,在几个月之后,普朗克太空探测器获得更多数据时,也许就会有新的发现(来源:《中国科学报》 记者 苗妮) 

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