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微波虽微 或可解说宇宙之大

2017-11-20 10:52 来源:科技日报

  宇宙演化示意图。图片来自网络

  据《自然》杂志官网近日报道,美国研究人员近日草拟了一份新的实验计划,拟建造全新设施来研究宇宙大爆炸的微弱余光——宇宙微波背景辐射,从而验证早期宇宙在婴儿期是否经历过短时间的暴涨——也就是所谓的“暴涨理论”。

  这项名叫“宇宙微波背景4阶段实验(CMB-S4)”的新计划,由美国能源部和美国科学基金会指派的专家团草拟。根据初步设计方案,新设备由位于南极和智利两地的3个6米口径望远镜和14个0.5米口径望远镜组成,建成后灵敏度将是现有地面宇宙微波背景辐射实验的100倍。

  如此灵敏的观测设备,成本当然不容小觑。据专家团透露,整个建造成本将耗资4亿美元以上,比3年前的预期增加了一倍,是现有实验设备所用成本的30倍。美国科学基金会银河系外天文学和宇宙学项目主管理查德·巴文尼斯表示,4亿美元虽然不是什么天文数字,但会面临其他大型项目的竞争,能否如愿还未可知。

  微波背景辐射

  提供宇宙早期重要信息

  作为现代宇宙学最有影响的学说之一,“大爆炸理论”认为,宇宙在非常年幼时,曾有一段由热到冷的演化史,期间宇宙不断膨胀,物质密度从密向稀,就像经历了一次巨大爆炸。多年来,科学家一直在通过各种观测手段,对这一理论进行验证,观测宇宙微波背景辐射是其中的重要手段,其能够提供宇宙初期的各种信息。

  探寻宇宙微波背景辐射,能让人了解大爆炸后,年幼的宇宙38万岁时的“样子”。1964年,美国贝尔电话公司的两位工程师在调适巨型喇叭形天线时,意外接收到一种无线电干扰噪音,且其在各个方向上的信号强度一致,这种强度历时几个月都没有改变。从此以后,通过地面、气球和空中不同设备,科学家都观测到了此类背景辐射的存在,由此获得了关于宇宙的形状、组成和年龄(大约140亿年)的精确信息。

  原初引力波

  宇宙暴涨理论最强证据

  但物理学家认为,宇宙微波背景辐射能提供更多信息。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子构成,计算表明,原初引力波能与微波背景光子作用,产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的扰动作用都产生不了这种偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”,观测到B模式偏振就意味着观测到原初引力波。

  CMB-S4专家团主席、美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室航天物理学家查理·劳伦斯认为,虽然人类已经在2015年首次捕捉到引力波,但这些引力波只是黑洞碰撞形成的时空涟漪,而探测到最早期宇宙的原初引力波,将成为另一个巨大突破,为宇宙暴涨理论提供最强有力证据。

  新建望远镜

  设计灵敏度提高100倍

  现有地面CMB实验的望远镜只有几千像素,主要位于南极或智利沙漠地带,干旱条件让大气更加透明,有利于观测微波背景辐射。但是现有实验至今还没有捕捉到传说中的B偏振模式,2014年有美国科学家宣称观测到B偏振模式,但后来证实其只是星际尘埃发出的闪光。

  目前正在建造中的几个实验项目,灵敏度也只提高不到10倍。劳伦斯表示,为探测原初引力波,观测设施的灵敏度必须获得指数级提高,因此他们计划将CMB-S4的灵敏度设计成40万像素,是现有设施的100多倍。“利用这么灵敏的设施,到时还一无所获的话,或许该考虑放弃宇宙暴涨理论了。”

  项目需评估

  或许要等10年之久

  因CMB-S4项目太大,任何一个研究团队都难以单独承担。2013年美国研究人员开始寻求全国性合作,2014年出台的初步方案获得美国能源部通过,但必须等到2020年美国科学基金会十年一次的天文学项目评估后才有结果。

  巴文尼斯表示,在10年一次的项目评估中,CMB-S4面临美国国家射频天文台甚大阵列望远镜升级以及其他大型光学望远镜的竞争。即使到时胜出,美国科学基金会还会开展进一步评估,这或许会使项目延迟到2026年才能实施。

  专家团建议,让能源部负责对现有望远镜进行扩建安装,美国科学基金会只出资观测实验的花费,这样可提前启动项目。但能源部高能物理学副主任詹姆斯·西格里斯特却对此泼了冷水,他认为现在白宫与国会对科研预算存在巨大分歧,给相关拨款带来“许多不确定性”,CMB-S4项目推迟到2027或2028年“很有可能”。

  如果这样,美国要想观测到原初引力波,或许还要再等10年。

(责任编辑:王蔚)

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