天文學家如何觀測到來自宇宙大爆炸的引力波

主要發現者約翰·科瓦奇描述了他在BICEP2射電望遠鏡的工作,以及他的職業生涯如何帶他走到這裡

3月17日,約翰·科瓦奇向世界宣佈,他和他的射電天文學家團隊發現了來自宇宙大爆炸的引力波印記。他們透過觀察宇宙微波背景輻射(CMB)來實現這一發現,宇宙微波背景輻射有時被稱為宇宙大爆炸的“餘輝”,他們使用了位於南極的BICEP2望遠鏡實驗。引力波的訊號在CMB的偏振中被觀察到——類似於某些太陽鏡阻擋的那種偏振——在一個小片天空中。

這張偏振圖讓人聯想到鐵屑在磁場作用下在表面排列的方式,被發現具有特定的渦旋狀或捲曲狀模式,稱為B模式。B模式的存在是引力波透過的明顯跡象,這些引力波是在暴脹期間產生的,暴脹是宇宙誕生後不久經歷的指數膨脹的短暫時期。如果這些發現站得住腳,它們將為當前首選的宇宙學圖景奠定堅實的基礎,並可能對基礎物理學產生重大影響。

科瓦奇是位於馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理中心的射電天文學家。在這裡,他與《自然》雜誌談論了這些發現及其一些影響。


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我們在BICEP2的CMB偏振快照中看到了什麼?

我們關注的最重要的結果是我們探測到的訊號對暴脹模型的影響。我們正在看到[原始]引力波的直接影像,它導致光以特定的方式偏振。CMB是宇宙大爆炸後38萬年的宇宙快照,當時輻射首次自由地流入太空,但引力波訊號在宇宙誕生後極短的時間內就印在了CMB上。

這個發現還有什麼重要的意義?

宇宙學領域的每個人都知道——但尚未被廣泛理解——關於來自暴脹的B模式的預測不僅依賴於引力波現象,還依賴於引力的量子化本身。暴脹假設一切都始於量子漲落,然後被暴脹放大。因此,在非常深的層面上,這一發現依賴於量子力學和引力之間的聯絡是正確的。

BICEP2探測到的B模式偏振訊號幾乎是普朗克探測器建議資料的兩倍,這是否引起了擔憂?

普朗克資料[目前釋出的資料]來自CMB的溫度圖,而不是直接的偏振測量。我們一直致力於對這項分析進行格外細緻的工作,但我承認,我們的資料中更大的信噪比[與普朗克資料相比]使我們在過去三年中更加專注于思考每一種可能的系統性解釋,這些解釋可能證偽該訊號。我們已經完成了迄今為止我參與過的最廣泛的系統性分析。

您什麼時候第一次意識到您探測到了長期以來人們一直在尋找的“暴脹的吸菸槍”?

去年秋天,當我們首次將BICEP2訊號與BICEP1進行比較時。這非常有力,因為BICEP1擁有非常不同的探測器,並使用了更老的技術。因此,我們能夠用這種完全不同的望遠鏡看到相同的訊號,這讓許多揮之不去的疑慮得以消除。我們團隊中剩餘的懷疑論者在那時被說服了。

12月初,我在南極,我們舉行了一次非常緊張的會議,我在會上列出了資料透過的所有測試以及仍需達成的里程碑,並且如果我們通過了剩餘的測試,我們將釋出結果。

您在那時慶祝了嗎,或者您在那之後慶祝過嗎?

我在這個過程中的作用一直是保持冷靜。我認為慶祝的時機將是我們發表結果並將其呈現給科學界之後。

最初是什麼讓您對CMB感興趣的?

高中時,我讀了史蒂文·溫伯格關於宇宙學的優秀科普書籍《最初三分鐘》[基礎圖書,1977年],它吸引了我的想象力。我記得讀到這些話

“現在我們來到了另一種天文學,一個十年前還無法講述的故事。我們將要處理的不是對在過去數億年中從或多或少像我們自己的星系發出的光的觀測,而是對宇宙初期遺留下來的瀰漫性無線電靜電背景的觀測。”

溫伯格就是這樣介紹了CMB的發現及其對宇宙學的意義,當時這仍然非常新鮮。作為一個孩子,在我看來,這是所有科學中最酷的事情——沒有更大的問題了。

我選擇去普林斯頓大學讀本科,部分原因是我在那本書中讀到了它。[CMB天文學領域的一些主要人物] 吉姆·皮布林斯、羅伯特·迪克和戴維·威爾金森都在那裡,而且非常幸運的是,我被分配到戴夫·威爾金森那裡做勤工儉學的工作。他指導我到一個CMB實驗室,該實驗室計劃嘗試在南極建造一臺CMB望遠鏡。我變得如此著迷,以至於我實際上休學了一年,以便有機會親自去南極。那是1990-91年,就在宇宙背景探測者(COBE)衛星發現CMB中的首次波動之前不久。我們在南極的望遠鏡也在不到一年後看到了它們。從那時起,我就一直在做這件事:23次前往南極,以及一份讓我在CMB前沿工作的職業生涯,我為此感到幸運。

您的書架上有一張已故天體物理學家安德魯·蘭格的照片,他來自帕薩迪納的加州理工學院。他在2010年與抑鬱症作鬥爭並自殺身亡之前,指導過許多進行CMB實驗的學生。他在塑造您的職業生涯中扮演了什麼角色?

我在安德魯的實驗室工作,先是在加州理工學院做博士後,然後在搬到哈佛之前擔任高階研究員。安德魯是一位鼓舞人心的人,也是一位親密的朋友。他委託我承擔了大量的責任,鼓勵我負責BICEP1望遠鏡的部署和操作,然後擔任下一個專案BICEP2的[首席研究員]和領導者。

安德魯喜歡將尋找B模式偏振描述為“宇宙學界的大規模徒勞無功”。他會很樂意看到這個結果,並知道我們發現的不是鵝,而是鴕鳥!

我也是[芝加哥大學天文學家]約翰·卡爾斯特羅姆的研究生。[在南極望遠鏡],約翰目前是競爭對手,但他也是我最親密的朋友之一。我有兩位了不起的導師。

您的兒子多大了,他對這一切有什麼看法?

九歲。他非常興奮,令人驚訝的是他能吸收和理解多少,並向我的妻子解釋。如果他年齡足夠大,他會和我一起去南極。

本文經《自然》雜誌許可轉載。這篇文章於2014年3月17日首次發表

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