3月17日,约翰·科瓦奇向世界宣布,他和他的射电天文学家团队发现了来自宇宙大爆炸的引力波印记。他们通过观察宇宙微波背景辐射(CMB)来实现这一发现,宇宙微波背景辐射有时被称为宇宙大爆炸的“余辉”,他们使用了位于南极的BICEP2望远镜实验。引力波的信号在CMB的偏振中被观察到——类似于某些太阳镜阻挡的那种偏振——在一个小片天空中。
这张偏振图让人联想到铁屑在磁场作用下在表面排列的方式,被发现具有特定的涡旋状或卷曲状模式,称为B模式。B模式的存在是引力波通过的明显迹象,这些引力波是在暴胀期间产生的,暴胀是宇宙诞生后不久经历的指数膨胀的短暂时期。如果这些发现站得住脚,它们将为当前首选的宇宙学图景奠定坚实的基础,并可能对基础物理学产生重大影响。
科瓦奇是位于马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的射电天文学家。在这里,他与《自然》杂志谈论了这些发现及其一些影响。
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我们在BICEP2的CMB偏振快照中看到了什么?
我们关注的最重要的结果是我们探测到的信号对暴胀模型的影响。我们正在看到[原始]引力波的直接图像,它导致光以特定的方式偏振。CMB是宇宙大爆炸后38万年的宇宙快照,当时辐射首次自由地流入太空,但引力波信号在宇宙诞生后极短的时间内就印在了CMB上。
这个发现还有什么重要的意义?
宇宙学领域的每个人都知道——但尚未被广泛理解——关于来自暴胀的B模式的预测不仅依赖于引力波现象,还依赖于引力的量子化本身。暴胀假设一切都始于量子涨落,然后被暴胀放大。因此,在非常深的层面上,这一发现依赖于量子力学和引力之间的联系是正确的。
BICEP2探测到的B模式偏振信号几乎是普朗克探测器建议数据的两倍,这是否引起了担忧?
普朗克数据[目前发布的数据]来自CMB的温度图,而不是直接的偏振测量。我们一直致力于对这项分析进行格外细致的工作,但我承认,我们的数据中更大的信噪比[与普朗克数据相比]使我们在过去三年中更加专注于思考每一种可能的系统性解释,这些解释可能证伪该信号。我们已经完成了迄今为止我参与过的最广泛的系统性分析。
您什么时候第一次意识到您探测到了长期以来人们一直在寻找的“暴胀的吸烟枪”?
去年秋天,当我们首次将BICEP2信号与BICEP1进行比较时。这非常有力,因为BICEP1拥有非常不同的探测器,并使用了更老的技术。因此,我们能够用这种完全不同的望远镜看到相同的信号,这让许多挥之不去的疑虑得以消除。我们团队中剩余的怀疑论者在那时被说服了。
12月初,我在南极,我们举行了一次非常紧张的会议,我在会上列出了数据通过的所有测试以及仍需达成的里程碑,并且如果我们通过了剩余的测试,我们将发布结果。
您在那时庆祝了吗,或者您在那之后庆祝过吗?
我在这个过程中的作用一直是保持冷静。我认为庆祝的时机将是我们发表结果并将其呈现给科学界之后。
最初是什么让您对CMB感兴趣的?
高中时,我读了史蒂文·温伯格关于宇宙学的优秀科普书籍《最初三分钟》[基础图书,1977年],它吸引了我的想象力。我记得读到这些话
“现在我们来到了另一种天文学,一个十年前还无法讲述的故事。我们将要处理的不是对在过去数亿年中从或多或少像我们自己的星系发出的光的观测,而是对宇宙初期遗留下来的弥漫性无线电静电背景的观测。”
温伯格就是这样介绍了CMB的发现及其对宇宙学的意义,当时这仍然非常新鲜。作为一个孩子,在我看来,这是所有科学中最酷的事情——没有更大的问题了。
我选择去普林斯顿大学读本科,部分原因是我在那本书中读到了它。[CMB天文学领域的一些主要人物] 吉姆·皮布尔斯、罗伯特·迪克和戴维·威尔金森都在那里,而且非常幸运的是,我被分配到戴夫·威尔金森那里做勤工俭学的工作。他指导我到一个CMB实验室,该实验室计划尝试在南极建造一台CMB望远镜。我变得如此着迷,以至于我实际上休学了一年,以便有机会亲自去南极。那是1990-91年,就在宇宙背景探测者(COBE)卫星发现CMB中的首次波动之前不久。我们在南极的望远镜也在不到一年后看到了它们。从那时起,我就一直在做这件事:23次前往南极,以及一份让我在CMB前沿工作的职业生涯,我为此感到幸运。
您的书架上有一张已故天体物理学家安德鲁·兰格的照片,他来自帕萨迪纳的加州理工学院。他在2010年与抑郁症作斗争并自杀身亡之前,指导过许多进行CMB实验的学生。他在塑造您的职业生涯中扮演了什么角色?
我在安德鲁的实验室工作,先是在加州理工学院做博士后,然后在搬到哈佛之前担任高级研究员。安德鲁是一位鼓舞人心的人,也是一位亲密的朋友。他委托我承担了大量的责任,鼓励我负责BICEP1望远镜的部署和操作,然后担任下一个项目BICEP2的[首席研究员]和领导者。
安德鲁喜欢将寻找B模式偏振描述为“宇宙学界的大规模徒劳无功”。他会很乐意看到这个结果,并知道我们发现的不是鹅,而是鸵鸟!
我也是[芝加哥大学天文学家]约翰·卡尔斯特罗姆的研究生。[在南极望远镜],约翰目前是竞争对手,但他也是我最亲密的朋友之一。我有两位了不起的导师。
您的儿子多大了,他对这一切有什么看法?
九岁。他非常兴奋,令人惊讶的是他能吸收和理解多少,并向我的妻子解释。如果他年龄足够大,他会和我一起去南极。