BICEP:时空涟漪还是星系尘埃?

《太空涟漪揭示》大爆炸’的确凿证据。《纽约时报》去年3月17日的头条新闻。在哈佛-史密森天体物理中心举行的一场看似重要的新闻发布会上，研究人员在南极使用BICEP(宇宙河外偏振背景成像)望远镜宣布，他们发现了宇宙膨胀的第一个直接证据，这是1979年首次提出的关于宇宙起源的理论。

BICEP声明称，第一批图像引力波在量子力学和广义相对论之间发现了一种诱人的、人们期待已久的联系。这一里程碑式的声明点燃了该领域，并引发了宇宙学新时代的讨论。

在高等研究院，Bob的游戏Raphael Flauger，成员(2013-14)在学院bob苹果下载他开始仔细研究数据。在此之前的一年，福拉格分析了第一轮宇宙微波背景由欧洲航天局的普朗克卫星发布的数据，BICEP团队在其发现中使用了该卫星。

弗拉格说:“最初，这个消息非常令人兴奋。“和所有人一样，我认为如果他们能探测到宇宙10岁时产生的时空度规中的量子涨落，那就太棒了^-30年秒的历史。这是一件非常非常重要的事情。这是一个独一无二的机会。”

但随着福拉格对证据的深入研究，他开始怀疑BICEP团队是否探测到了原始引力波的证据。这个问题取决于探测到的b模式的性质，这是一种偏振模式，被确定为探测这种波的手段Matias Zaldarriaga他是自然科学学院的教授，1997年与Uros Seljakbob苹果下载合作。来自银河系尘埃的前景污染也会导致类似的b模式特征。弗拉格开始相信BICEP团队低估了普朗克幻灯片中的灰尘水平，该团队从2013年的一次演示中提取了一张幻灯片，并将其用于他们的研究。这张幻灯片是基于未公布的极化数据;普朗克计划在今年晚些时候发布实际的偏振数据，这应该会澄清b模式的原因。

今年5月，弗拉格在普林斯顿大学发表了他自己的分析，他和其他人对BICEP声明的质疑在媒体上被广泛报道。“BICEP确实探测到了b模式，但尚不清楚它们是由原始引力波引起的，还是由我们星系中的尘埃引起的，”弗卢格说，他最近与天体物理学家詹姆斯·科林·希尔和大卫·斯佩格尔合著了《对BICEP2区域前景发射的理解》一书，他们是自然科学学院的现任访客(2014年)。bob苹果下载9月19日，普朗克的研究人员发表了一篇论文，证实BICEP团队低估了星系尘埃的数量。

根据标准宇宙学模型，在大爆炸历史的当前阶段，宇宙大约开始于140亿年前。最初宇宙是热的，稠密的相互作用的粒子。据推测，在这一阶段之前，宇宙经历了一个被称为暴胀的短暂加速膨胀时期，当时量子涨落被拉伸到宇宙学上的大尺度，成为宇宙恒星和星系的种子。

普朗克在2013年发布的一张地图——由普朗克卫星以9种不同频率绘制的9张天空地图合成——捕捉到了宇宙微波背景辐射的早期光线，这是大爆炸的遗迹。宇宙微波背景辐射于1964年首次被探测到，从那时起，空间、地面和基于气球的实验已经绘制出了宇宙早期留下的这种光的温度变化，让宇宙学家可以看看理论模型是否可以重现宇宙历史中可见的物体的形成。

在20世纪80年代，宇宙学家开发了早期宇宙的暴胀模型，该模型结合了我们目前对物理定律的理解——用广义相对论来理解引力是如何工作的，用量子力学来理解物质是如何行为的。

为了解释宇宙的寿命和同质性，理论学家在大爆炸之前引入了一段暴胀期。如果没有它，按照广义相对论定律运行的宇宙将在几分之一秒的时间内坍缩成黑洞或完全空无一物。暴胀有一个意外的好处:由于量子力学的不确定性原理，暴胀在不同的区域必须持续更长的时间。这些微小的差异可以作为结构的种子。

作为一名理论物理学家，弗拉格第一次对宇宙微波背景数据产生兴趣是在德克萨斯大学奥斯汀分校斯蒂芬·温伯格的博士生时期。2007年，福拉格和温伯格写了一篇关于微波背景张量涨落的论文，该论文预测了b模式在时空中以引力波的形式出现。从那时起，Flauger和其他人一直致力于在弦理论的背景下开发模型，其中包含了可观察到的大b模式。在这些模型之前，有人推测b模的发现可以推翻弦理论。

“b模式的好处是，如果你测量它们，它们会告诉你宇宙早期时刻的能量规模，”现在是卡内基梅隆大学助理教授的弗拉格说。“如果你看到这样的b模式信号，你可以表明它意味着能量尺度相当高，大约10¹⁶GeV，人们通常把它和大统一理论的尺度联系在一起，它离弦的尺度并不远。有了这个数据集，我们有希望了解更多关于弦理论的知识。”

就像欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验在理论上预测希格斯粒子近50年后探测到它一样，理论模型正在允许普朗克团队确定宇宙的组成，绘制结构形成的种子，并确认我们对宇宙起源和演化的广泛理解。弗拉格就是其中之一，他一直在研究b模弦理论模型预测的微波背景的其他特征。与b模式无关，Flauger和他的合作者Eva Silverstein和Liam McAllister一直在普朗克温度数据中寻找轴子标量场签名，这些数据支持弦模型的一个子集。普朗克有望在今年晚些时候将这一理论工作用于偏振数据的分析。

根据通货膨胀理论当宇宙以指数速度快速膨胀时，它的几何形状就会变得平坦——这个几何形状在2000年左右被实验证实。然后，理论学家不得不利用物理定律来解决如何让暴胀停止，从而使宇宙冷却，结构开始形成的问题。“轴子标量场就像时钟一样工作，”弗拉格说。“这个时钟，它在缓慢地滚动，但随后它有小波纹，标志着时间。我们正在从这些小的周期性特征中寻找印迹在原始功率谱中的特征。对我来说，识别这些将是有趣的，因为在弦模型被提出之前，人们还没有寻找过它们。这并不一定意味着弦理论是正确的，因为它们本可以在更早的时候被提出，但它们没有。”

除了质疑BICEP的实际结果之外，还有许多关于通货膨胀的悬而未决的问题。其中，扎尔达里亚加问道:“产生引力波的唯一方法是通过暴胀，这是真的吗?”与此同时，天体物理学家和理论家继续争论BICEP发现的性质，等待剩余的普朗克数据的发布。

福拉格说:“如果b模式像BICEP说的那样强，普朗克也应该能看到它们。”“这真的很令人兴奋，因为这样我们就可以确定了。但我们还得等等看。我怀疑信号中可能仍然存在原始的b模式，但也有重要的尘埃贡献，这将使普朗克很难看到它们。

“有时BICEP的说法是错误的，但我认为这些地图无论如何都是重要的。它们将与其他数据集结合使用，以了解那里是否存在原始b模。它们非常、非常珍贵。”

建议查看:《b模式宇宙学的黎明》，作者:Matias Zaldarriaga教授，来自Strings 2014:http://ow.ly/BC5hJ/．要阅读普朗克合作的论文，请参见http://arxiv.org/pdf/1409.5738.pdf