反弹宇宙学图像

COBE、WMAP、Planck三代卫星拍摄的宇宙微波背景辐射各向异性温度涨落

　　宇宙源自138亿年前的一次爆炸，而后立即经验了一场极度迅速的膨胀——暴胀进程，随后渐渐膨胀于今。这一直是用以解释宇宙造成的主流科学理论。

　　然则本年上半年，《科学美国人》杂志搞了点事宜。来源普林斯顿大学和哈佛大学的科学家撰文显示，宇宙源自一次大反弹而非大爆炸，暴胀理论没有办法令人称心。此举没有疑在学界扔下了一枚重型炸弹。包括4位诺贝尔奖得主在内的33位科学家立即结合签定了一封公布信，对其发展驳斥。

　　宇宙到底源自大反弹仍是大爆炸？这场争论的双方皆是知名科学家。关于看热闹的公众来讲，抉择“站队”此前，无妨先理解两种宇宙造成理论都讨论了甚么。

　　窥视婴儿期的宇宙

　　宇宙微波背景辐射的发觉，为热大爆炸宇宙学提供了要害的证据。而在微波背景辐射谱上极为微小的起伏，使人们有机会理解宇宙婴儿时代的样貌。

　　在现代宇宙学的进行历程中，宇宙微波背景辐射（CMB）的故事一律是场重头戏。早在20世纪40年代，天文学家伽莫夫等人提议了热大爆炸宇宙学说。该学说预言：宇宙存留一种背景温度，它即是由CMB——来源宇宙婴儿期的光线带来的。

　　到了20世纪60年代，美国贝尔实验室的两位工程师应用没有线电波天线探测到了这种稳固而又匀称的微波背景信号。这一发觉在天文学史上留住了浓重的一笔，由于它为热大爆炸宇宙学说提供了最要害的证据。只是那时，大家以为CMB在各个位子、各个方向上皆是十足相同的，婴儿期的宇宙匀称得全无特征。

　　首次真实揭开CMB神秘面纱的，当数美国宇航局于1989年发射的宇宙背景探测者（COBE）卫星。这枚卫星不但精准测量了CMB黑体辐射谱从而认证了热大爆炸学说，况且在背景温度为2.73开氏度的黑体谱上发觉了涨落幅度大约为10-5开氏度的温度涨落，进一步扩展了人类认知宇宙的视野。

　　假如说原初核合成与2.73开氏度的CMB黑体谱一并证实了宇宙在童年时代的成长历程，那末CMB谱上这点微小的各向异性温度涨落则为认知宇宙在原初婴儿时期的样貌提供了一扇窗口。

　　在以后的二十好几年间，美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星和欧洲体积局的普朗克（Planck）卫星接踵发射升空。他们不但让得CMB天图的分辨率有了庞大提升，还使人类能够挨近大爆炸奇点这种物理理论的“禁区”。

　　在顺利经过诸多高精度天文实验的检测后，热大爆炸学说进级为现代宇宙学的准则理论模子。它描画的根本图像为：大约138亿年前，咱们的宇宙创生于一种时空奇点的大爆炸。在漫长岁月的洗礼下，它从极高温的混沌状况最初演变，渐渐造成根本粒子、核子，接下来通过原初核合成发生氢和氦的原子核。以后约38万年，宇宙中造成稳固的中性氢原子与早期CMB。继续在原初密度涨落的作用下，又渐渐造成由宏观物质建立起来的大尺度构造雏形。到了宇宙4亿岁时，第一代恒星终归造成，而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。从那今后，由星系和星系团等组成的宇宙大尺度构造最初造成。终归，咱们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的提速膨胀状况。

　　宇宙须要一种奇点吗

　　在包涵暴胀进程的热大爆炸宇宙学中，密度极大、温度极高的奇点不可幸免。而反弹宇宙图像中，宇宙先是收缩，接下来反弹映入热大爆炸膨胀阶段，幸免了让科学家头皮发麻的奇点难题。

　　宇宙的故事却非看起来那么简练明了，当反演宇宙演化到刚刚呱呱坠地的婴儿时代，热大爆炸学说自身就面对着初始要求选取的难题。例如说，是甚么导致了今日的宇宙在大尺度上匀称各向同性，而又具备各式星系、星系团等构造？故事的开端——大爆炸奇点真的存留吗？那一刻宇宙产生了甚么？人类在与热大爆炸学说如许配合的CMB黑体谱上发觉了微小的各向异性温度涨落，又意指着甚么？

　　暴胀学说，是一款为描画宇宙在原初时代能源学而量身塑造的宇宙学图像。它以为，在大爆炸后约10-36秒到10-32秒短暂的时间内，宇宙的单位体积尺度被放大约1080倍。这差不多于刹那把亚原子尺度的体积扩张到了太阳系尺度，这样可行抹平原初宇宙可能存留的不匀称性，因而很当然地解释了咱们今日见到的匀称宇宙。只是，本该存留于微观全球的量子涨落也被拉扯到了宏观尺度上，导致了CMB温度涨落与原初密度扰动的发生，也为大尺度构造的造成埋下了种子。

　　换句话说，从咱们今日见到的CMB温度涨落，到星系、恒星、地球，乃至咱们本人，皆是由婴儿时代宇宙中的量子涨落演化而来。因而，在暴胀学说中当前宇宙的匀称性以及大尺度构造的造成获得了非常当然的解释，咱们没再须要为热大爆炸宇宙设定各式苛刻的初始要求。

　　然则，大爆炸奇点在暴胀学说中依旧是不可幸免的。这意指着，暴胀自身是不完整的理论：咱们不晓得暴胀如何最初，还不晓得在暴胀此前产生了甚么。在这种背景下，一系列替代理论应运而生，此中最具代表性的便是反弹宇宙学。

　　实现反弹宇宙图像的理论模子有好多，比如加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格教授与英国朴茨茅茨大学的大卫·沃兹于1999年提议物质反弹模子、华夏科学院高能所张新民探讨员及其团队于2007年提议的精灵反弹模子等。在笔者和多位同事的好几年努力以下，藏在这点模子背后的反弹宇宙学扰动理论渐渐成型，并揭示了反弹学说同样可行解释热大爆炸宇宙学所面对的初始要求疑难。在这种理论图像中，大爆炸此前的宇宙处于一种收缩进程，空间越来越小，直到某一时候宇宙收缩到一种极小值，接下来反弹映入准则的热大爆炸膨胀阶段。因此可视，反弹学说的提议，不但继承了热大爆炸宇宙学的成功之处，还幸免了那个会让宇宙学家头皮发麻的时空奇点。因而，它进一步推进了热大爆炸宇宙学的理论进行。

　　认证起源学说，原初引力波说了算

　　CMB中的原初B模偏振可行帮助建立宇宙开始的模样。但人类一直无寻到它。科学家已在智利和南极开展或规划CMB观测，我们国家阿里原初引力波望远镜也将瞄准这一“宇宙级”难题。

　　宇宙在极早期所经验的究竟是哪一个进程呢？暴胀，反弹，抑或二者的联合？关于探讨极早期宇宙的物理学家来讲，一种至关要紧的任务便是经过实验观测来发展检测区别。上述模子给出的理论预言，正在可行经过对CMB的高精度测量来加以检测。

　　源于宇宙早期光子与电子会产生汤姆森散射，CMB光子不但携带着前文提到的黑体谱和温度涨落的消息，还会有偏振状况，他们造成两种截然不同的图样：电场型E形式和磁场型B形式。

　　宇宙学家在探讨CMB的偏振涨落时发觉，原初宇宙中的张量扰动（即原初引力波）可行干脆导致CMB具有B形式的偏振信号。换言之，寻觅原初引力波的B模偏振，能为极早期宇宙的探讨提供线索。

　　这一发觉正规打响了应用精准宇宙学实验探寻、检测原初宇宙图景的发令枪。宇宙学家曾试图应用WMAP、Planck等卫星实验将近15年的数据，来重构出原初扰动、甚而原初宇宙的模样。但遗憾的是，截止日前CMB中的原初B模偏振依然无被干脆观测到。

　　近年来探讨人士调转方向性价比更高、保持运转更长久更稳固的地面CMB观测实验。迄今曾经建设和规划中的地面CMB偏振实验，聚集在智利和南极，而北半球是空缺的。

　　为了推行华夏宇宙学在CMB范畴的实验探讨，华夏科学院高能所的宇宙学团队牵头，结合国家内部外多所高级宇宙学探讨单位，正好我们国家西藏阿里地域建设北半球首个CMB极化望远镜，即阿里原初引力波望远镜（AliCPT）。

　　该名目计划2020年在阿里天文台海拔5250米处建成阿里一号望远镜并最初观测，在北天区首先实现对原初引力波的探测。与此同一时间，阿里计划还会与南半球的CMB实验合作，造成一南一北，对原初引力波观测发展整天区掩盖。

　　（作者区别为华夏科学技艺大学天文学系教授及北京大学博士）

来自：科技日报

作者：蔡一夫 金庄维

编辑：童妙 实习编辑 曾映雪