一个疯狂的宇宙

一个疯狂的宇宙
Alejandro Gangui　著　Shea　译

　　几个世纪以来，天文学家一直在研究宇宙中的星系和大尺度结构是如何形成的。在20世纪后半叶，宇宙学家发现这些过程有一个见证者，它就是温度仅为几K的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB）——大爆炸的余辉。恰恰在物质形成结构之前，CMB遍布满了整个宇宙。大约10年前，科学家发现了CMB的有效温度存在着微小的变化，这为星系的早期形成以及之后的演化提供了重要的线索。

　　现在，另一个观测证据显示这些温度上的差异始于在大爆炸之后大约40万年。使用位于南极的射电望远镜，度角干涉仪（Degree Angular Scale Interferometer，DASI）合作项目的科学家测量了CMB角秒级的偏振，这些接收到的微波都穿越了高温的等离子体——表征了当时的动力学特征。

　　我们周围的大多数光都不是偏振光。光线中不同的光波传播时在各个不同的平面内振动。但是当被散射或者反射之后，非偏振的光也会变成偏振光。这时，被散射的光的能量会集中在沿着传播方向所在的平面内，形成线偏振光。

　　在宇宙的极早期，温度非常得高，物质都处于电离状态，而且自由电子的密度也非常得高，因此光子会频繁的与电子发生碰撞而不能自由传播。但随着宇宙的膨胀，以及温度的降低，碰撞的频率也会变得越来越低。此时，相对低能的光子已经无法摧毁正逐渐增多的中性粒子，其中质子、中子和电子组合成了这些粒子，主要是氢和氦。在这一“复合”期之后，宇宙出现了CMB。按照理论计算，在大约140亿年前，CMB发生了偏振。

　　35年前，里斯（Rees）第一次提出了CMB存在偏振。但是，直到去年DASI的观测才发现了有关的证据。CMB的偏振对于检验宇宙学模型以及对于研究邻近的宇宙都具有重要的意义。由于源自宇宙背景辐射和电子之间的相互作用，CMB的偏振只可能是最后一次散射所造成的，因为自那以后就不存在自由的电子了。与温度的涨落不同，偏振不会受到复合之后物质分布不均匀的影响。

　　为了理解CMB是如何被偏振的，必须弄清楚两点。第一，入射的、振荡的电场也会使电子振荡；此时后者可以看成电偶极辐射，且辐射的能量主要集中在垂直于振荡的方向上。第二，在与电子相互作用之后，所产生的辐射长会沿着入射方向发生偏振。这可以帮助我们理解为什么CMB应该是线偏振的。

[图片说明]：光的魔术。（右）非偏振光可以分解成两束线偏振光，一束沿着视线方向（粉色），另一束垂直于视线方向（绿色）。散射之后，第一束光将变化到垂直于视线方向的平面中去，而无法被观测到。只有第二分量（绿色）可以抵达观测者，并且也呈现出与入射时一样的线偏振形态。

　　在复合期之前，辐射场都是非偏振的，对于非偏振的光，其横向的电场可以分解到两个方向去，且这两个方向都垂直于光传播的方向。垂直方向的电场分量也会使得电子垂直振荡。因此，偶极辐射强度在水平的平面中达到最大。换一个角度来看，也就是说，我们可以很容易的探测到这一分量。但是，如果入射的分量沿着我们视线的方向，那么我们就无法探测到它，因为这一分量会使得电子在我们视线方向上振荡，并且电偶极辐射也将集中在与我们视线垂直的平面内。所以，对我们而言，我们无法探测到这一辐射。因此，只有入射电场中垂直分量所引起的辐射才能被我们接收到。再来看第二点，散射后的辐射应该有与入射光相同的偏振性。因此我们可以得出结论，观测者只能观测到入射光中的一部分，而且这一部分是线偏振光。

　　但是到目前为止，我们所讨论的都是理论模型。事实上，打到电子上的光可能来自各个方向。因此，为了描述整个效应，我们必须综合所有方向上的贡献。每一束入射光都会以线偏振光的形式被散射，但是每一束都有各自不同的方向。如果入射的辐射是完全各向同性的，那么所产生的辐射将会是一个球对称的形态，不发生偏振。

　　但是CMB并不是完全各向同性的，它具有微小的“四极各向异性”，COBE卫星首先发现了这一点。因此，从不同的角度来看，垂直分量对于最终辐射偏振的贡献将有所不同。科学家相信这就是DASI为什么能观测到CMB偏振的原因，而且威尔金森微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）的最新观测也证实了这一点。

　　这里需要强调最后一点。在复合期之前，电离物质、电子和辐射会形成流体。在这一流体中，大质量核子提供惯性，辐射提供压力。在小扰动下，由于引力作用，物质会具有成团性，但是辐射压会使之无法实现，于是导致了流体密度和局部速度的振荡。现在的偏振场就是复合时期局部四极距的反映，而且这一四极距主要源自等离子速度场所造成的多普勒效应。这就是为什么我们确信，CMB的偏振反映了复合时期原始物质的动力学形态。

　　但是，温度各向异性中的偏振部分是非常微小的，因为只有在解耦过程后期被散射的光子才具有足够的四极距，才有可能在后面的相互作用中得已保存下来。原因是，产生偏振的散射也会破坏产生偏振的四极距。结果，温度各向异性中的偏振部分不超过10%。因为温度的各项异性是10^-5的数量级，因此偏振信号的量级预计是10^-6——是一个巨大的挑战。

　　由DASI和WMAP探测到的偏振度和广为接受的和谐模型的结果进行了比较，这一模型很好的与天体物理观测结果相一致，其中宇宙包含了5%的普通物质，22%的暗物质，以及73%的暗能量——一个疯狂的宇宙。在与和谐模型的预言比较之后，科学家相信他们对偏振的观测具有95%的可信度。

[图片说明]：运动的测量。DASI所测量的CMB强度和偏振度。图中CMB温度微小的变化以伪色彩表示，黄色代表高温，红色代表低温。图中每点的偏振以黑线表示。其中线的长度表示偏振的强度；线的方向表示偏振的方向。左下角的白斑表示了观测的分辨率。

　　随着越来越多各自独立的观测证实了这些发现，CMB的偏振将成为宇宙学的又一宝藏。在我们面前，一扇研究宇宙早期物理的窗户正在徐徐打开。透过它，我们就能获得宇宙基本参数的重要信息——甚至还有形成宇宙大尺度结构的重要机制。

译自 [Science 2003年2月28日]