看見宇宙的回音 解開大霹靂之謎

臺籍科學家郭兆林團隊 諾貝爾獎等級的發現

【本刊訊】目前的宇宙學模型指出宇宙大約在137億年前生成,他從一個密度很高的狀態,經過爆炸並持續不斷膨脹而來,才到達今天的狀況。這個「大霹靂理論」是目前證據最多、最符合天文學家觀測結果的理論,但因其中仍有許多待解的謎團,使得許多科學家不斷投入其中。這次我國科學家郭兆林參與的一個研究團隊,運用望遠鏡觀測到微弱的漣漪,研究團隊認為這是由大霹靂後微波輻射偏振造成。這個來自宇宙中的「回音」讓科學家對於宇宙的起源,有了更新的證據。這項研究果也被認為具有極高的機會獲得諾貝爾獎的肯定。

天文學家形容初始狀態的宇宙溫度、密度皆非常高,並由物質與能量所共同組成,以一個比光速還快的速度急速膨脹,在10-32秒之內竟然就膨脹了60倍之多!這樣的「爆炸式的膨脹」在短短一秒內就結束了,而形成我們現在所知,科學家所觀察到的宇宙。

這次天文學家表示他們偵測到大霹靂後微弱的回聲,這是能夠證明宇宙在爆炸後擴張的新證據。宇宙微波背景輻射(CMB)這個大霹靂遺留下來的電磁輻射,一直以來被認為是檢視大霹靂模型的重要方向,也是這次研究團隊主要觀測對象。CMB被認為是宇宙誕生史中「再複合期」的產物,這時宇宙的溫度已稍微下降,讓光子被釋放出來,並開始傳播,但由於空間膨脹波長增加,光就越來越弱,能量也因此降低,就成為我們稱為「遺留輻射」的來源,也被稱為最古老的光。

要能夠探測這個宇宙大霹靂後留下的微弱訊息,研究團隊需要的是一台相當精密的望遠鏡,才能夠偵測到這些幾乎無法察覺的訊號。這次研究團隊使用的是南極的一台小型望遠鏡,他們運用這台望遠鏡觀測宇宙中無限小、特別的光譜變化。選擇南極的原因,是因為南極的氣候環境相當乾燥,又最少干擾,乾燥的氣候減少空氣中水蒸氣、大氣吸收掉這些相當微弱的輻射的機會;而當地的低氣壓也降低了大氣層的干擾。

這個研究計畫稱為宇宙泛星系偏振背景成像BICEP2(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2),與原先BICEP計畫不同的是,它採用了新的探測器技術,於2010~2012年間蒐集數據並分析。這個團隊的成員人數不算多,大約50人左右,包含來自美國哈佛史密松天體物理中心、明尼蘇達大學、史丹福大學、加州理工學院和美國航空暨太空總署的噴氣推進實驗室的科學家們,其中臺籍科學家郭兆林也是相當關鍵的中心領導成員。

這個團隊發現的是CMB中的一種偏振訊號,又稱為原初B模偏振(primordial B-mode polarizations),這個訊號當時沒有人能夠肯定是否真的能觀測得到,但是肯定的是若能觀測得到就是一大突破。最後BICEP2團隊的科學家用望遠鏡觀測到相當微弱的螺旋圖案時,團隊在初期仍有相當多的懷疑,沒有辦法一時間就確定這就是他們要找的訊號,也不敢貿然公開發現結果。經過數個月的驗證和反覆分析,團隊終於在2013年12月獲得全部成員一致的認可,並將這個劃時代的發現公諸於世,引來全球的關注與討論。

天文學者表示這個研究雖然成功接收到了原初B模偏振的訊號,但這仍只是相關研究的開始,仍有待更多的數據來將整個宇宙初始狀態的能量和密度分布圖拼湊出來,更進一步瞭解宇宙大霹靂的整個過程。

(圖片來源: NASA)

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