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首度!宇宙暴脹直接證據

大約140億年前,在今天我們所居住的宇宙發生了一次重大事件、啟動了「大霹靂」。在不到一秒的短暫瞬間,宇宙指數性地迅速暴脹到遠至最厲害的望遠鏡都涵蓋不了的視野之外。當然,本來這一切無非只是理論而已。

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credit:BICEP2 Collaboration

BICEP2合作計畫團隊2014年3月 18日宣布他們已取得宇宙暴脹直接證據,這是一項重要的首度發現。同時,用資料做出的圖形也第一次描繪出重力波的形貌。如上圖,這種波就像空時中的漣漪一樣,一般對它的描述是,大霹靂裡的第一波震動。此外,首度取得的資料還證實了,量子力學和廣義相對論之間可能關聯密切。

「能不能偵測到代表這種震動的那些訊號,在現今宇宙學研究中,算是最重要的幾大目標之一。」此外,哈佛-史密松天文物理中心的John Kovac,BICEP2計畫主持人還表示,今天發布的這項成果必須感謝許多科學家的殷勤工作。

在記者會中公布的結果相當有突破性,是由專門觀測宇宙微波背景輻射的BICEP2望遠鏡取得的,宇宙微波背景輻射是大霹靂遺留的餘暉。餘暉中的微小波動提供了能描述早期宇宙情形的線索。例如在全天空溫度上的微小差異,顯示出宇宙在有些地方密度比較高,這些地方後來繼續壓縮(condensing),最後形成星系和星系群。

宇宙微波背景輻射是光的一種形式,所有屬性都和光相同,包括偏振現象在內。在地球上,陽光在經過大氣時受散射成偏振光,具偏振效果的太陽眼鏡同理也能降低眩光強度。太空中,宇宙微波背景輻射是受到原子和電子的散射而產生偏振。

計畫四位共同主持人之一Caltech/JPL Jamie Bock表示,他們在找的是種形態特別的B-modes偏振,相當於宇宙古老的光在偏振方向上特有的一種扭曲或捲曲模式。

重力波運動時擠壓空間,因為擠壓,在宇宙微波背景中造成清晰可辨的模型,具有「旋向性」,和光波很像,左或右旋的偏振都有。

另一位共同計畫主持人,史丹福大學加速器實驗中心郭兆林(來自臺灣)表示,「因為旋向性的關係,捲曲狀B-modes偏振是重力波特有,這是科學家第一次直接取得穿透原始天空的重力波影像」。

這支團隊細查了在天空中寬約1至5度的空間尺度(等於2~10倍滿月的寬度)。這項研究為了配合研究最佳條件:空氣必須寒冷、乾燥、穩定,所以地點選在南極。

南極是地面上條件和太空最類似的地方,但不用火箭也到得了。南極是地球上最為乾燥晴朗的地區之一,適合觀察來自大霹靂的微弱微波背景輻射。

最令這些研究員驚訝的是,他們偵測到的B-modes偏振信號相當強,比原先許多宇宙學者所預期得還更強。為了排除任何出錯可能,該團隊花了三年多的時間分析資料。甚至會不會有來自銀河系的塵埃誤導出所觀察到的B-modes偏振都已考慮過,但結果顯示這幾乎完全不可能。

另一位共同主持人,Clem Pryke (University of Minnesota)表示:「這個任務本來像大海撈針,不過現在倒是撈到了~一根鐵撬。」

詢及對此發現意味著什麼重大意義,哈佛大學理論天文學者Avi Loeb表示,「這項結果對人類關心的一些最基本問題提供新看法:為什麼會有人類存在?宇宙如何開始?這些結果不僅是來自暴脹現場的熱騰騰證據,還能告訴我們暴脹何時發生,發生的強度如何。」(Lauren譯)

BICEP2 sunset

位在南極日落的BICEP2望遠鏡。credit:Steffen Richter (Harvard University)

資料來源:First Direct Evidence of Cosmic Inflation. HARVARD-SMITHSONIAN CENTER FOR ASTROPHYSICS [March 17, 2014]

轉載自網路天文館,原刊載於中研院天文網, 2014.03.19, JIMLEE


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