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Mar. 19 2014

宇宙暴脹獲得證實

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  • 宇宙暴脹獲得證實

觀測成果證實早期宇宙在生成時立刻「膨脹」成宇宙理論中的大小。

這張示意圖顯示出引力波在太空中引發微波的樣子。
ILLUSTRATION COURTESY OF NASA

 

撰文:Dan Vergano, National Geographic

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天文學家於台北時間週二凌晨宣布,強烈得驚人的引力波在「大爆炸」的激烈餘波中迴盪;這個發現證實宇宙在生成之初即成長到極大的體積。

這些在南極長期觀測得到的結果強烈支持「暴脹論」這個宇宙理論;該理論說明早期的宇宙如何在生成之初的一剎那間,穩定擴張到無法想像的大小。

「這是首度偵測到引力波訊號,」美國明尼蘇達大學雙城分校物理學家克萊門特.普萊克說。他是週一在美國麻州哈佛-史密森天體物理學中心發表觀測結果的團隊成員。「我們確信觀測結果很實際。」

這項發現意味著在略多於100年的時間內,人類不僅算出了宇宙的年齡(它是大約138.2億年前從大爆炸中誕生的),還得知了它誕生的過程。

「我從沒想過自己會在有生之年看到這些觀測結果,能得知它們,真是令人興奮,」1980年時首先提出宇宙「暴脹論」的麻省理工學院教授艾倫.葛斯說。「要得到這些發現相當困難。」

為了找出引力波,研究團隊仔細觀察了宇宙微波背景,即宇宙生成後留下的餘熱。

這種瀰漫於宇宙各處的餘熱呈現出細微的溫度變化,而物質在大爆炸發生約40萬年後,即是於這樣的環境中積聚,後來逐漸形成今日遍布整個宇宙的星系團。

週二宣布新觀測結果的南極BICEP2天文望遠鏡團隊科學家來自許多科學研究機構。他們的團隊只是許多長期觀測宇宙微波背景,以尋找大爆炸蛛絲馬跡的眾多研究團隊之一。

 

太陽在BICEP2與南極望遠鏡後方落下。
PHOTOGRAPH BY STEFAN RICHTER, HARVARD UNIVERSITY

 

BICEP2團隊並沒有直接觀測到引力波,而是觀測到它們對於宇宙微波背景所產生的影響。研究人員在宇宙微波背景的溫度與物質分布中尋找彎曲的形狀,那是引力波的一種訊號。

引力波移動時會延展及壓縮空間,物質聚集的間距依空間延展的程度而定。愛因斯坦的引力理論認為引力波是宇宙膨脹的一種特性,其他競爭理論則將之排除。

「所以如果這個發現得到證實,那麼暴脹論就無庸置疑了,」美國史丹福大學物理學教授安德瑞.林德以電子郵件表示。他並不是研究團隊成員。

 

南極觀測

得到這項發現的團隊所利用的是南極的微波偵測望遠鏡。當地的清澈天空與乾燥空氣讓他們得以用前所未有的視野觀察宇宙微波背景。

南極的成果經歷了2010年到2012年的三個觀測季。暴脹論主張,今日被視作微波的那些光粒子應該是在行進方向中受到扭曲,這種作用和偏光太陽眼鏡的阻光效果類似。

 

BICEP2望遠鏡的焦平面由512個美國航太總署噴氣推進實驗所研發生產的超導微波偵測器組成。
PHOTOGRAPH BY ANTHONY TURNER, JET PROPULSION LAB

 

強大的偏振

研究團隊甚至表示,出現了一種特殊的偏振模式。它的作用強度比衛星觀測團隊近年所推論的間接觀測結果還要多出一倍。

「這個結論出乎意料,而它也意味引力在宇宙膨脹時的作用力比我們預期的還要強,」麻省理工學院的葛斯說。「如果能證實這一點的話,會相當令人欣慰。」

普萊克說這個發現太意外了,團隊還花了三年來驗證成果。統計數據顯示,他們正確的機率為99.9997%。

「這不只是打出全壘打而已,根本是大滿貫,」在成果發表簡報中發言,但並非研究團隊成員的約翰霍普金斯大學物理學家馬克.卡米恩寇夫斯基說。「它是宇宙膨脹的鐵證。」

 

研究生傑斯塔.布瑞維克測試BICEP2的電子讀出設備。
PHOTOGRAPH BY STEFAN RICHTER, HARVARD UNIVERSITY

 

物質的劇烈跳動

強大引力波的發現支持了某些最簡單的宇宙膨脹模型,並且說明了宇宙的質量如何從次原子大小的體積中逃脫出來,而沒有在宇宙生成之初塌縮。

暴脹論指出,大爆炸的密集能量驅使空間的邊界在宇宙生成最初極短暫的一瞬間迅速擴張(所以才叫作「暴脹」)。

葛斯說,這迅速的擴張產生了引力波,而它們其實就是「宇宙中物質的劇烈跳動」。

這表示宇宙在剛剛生成的時候所達到的大小即已遠遠超過人類能觀測、或者未來所能觀測的範圍(人類所能觀測到的宇宙範圍約為920億光年)。

MAY. 2019

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