大爆炸后的暴脹

根據(jù)大爆炸理論，我們的宇宙始于138億年前。它的初始密度和溫度高得難以想象。自那之后，宇宙一直在以可以用廣義相對(duì)論計(jì)算的速度在膨脹。盡管大爆炸理論取得了驚人的成功，但它無(wú)法解釋所有的問(wèn)題。

例如，它無(wú)法解釋為何宇宙微波背景（CMB）上相隔非常遙遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)具有相同的溫度？計(jì)算表明，自大爆炸以來(lái)，并沒(méi)有足夠的時(shí)間可以讓宇宙中的任意兩個(gè)地方可以實(shí)現(xiàn)這種熱平衡。

在早期宇宙中，光子無(wú)法自由傳播，因?yàn)樗鼤?huì)不斷與附近的粒子碰撞。但到了大爆炸后約38萬(wàn)年，宇宙終于冷卻到足以形成中性原子，這時(shí)光子便可以自由地傳播，形成了宇宙微波背景（CMB）。CMB的溫度幾乎是一樣的，只存在非常微小的溫度起伏，有的區(qū)域溫度稍高（熱點(diǎn)），有的溫度稍低（冷點(diǎn)）。（圖/ESA and the Planck Collaboration）

又比如，傳統(tǒng)大爆炸模型也無(wú)法解釋為什么今天觀測(cè)到的宇宙如此平坦。2000年進(jìn)行的BOOMERANG實(shí)驗(yàn)通過(guò)高空氣球攜帶的望遠(yuǎn)鏡繪制了宇宙微波背景，并提供了宇宙平坦性的有力證據(jù)。科學(xué)家們利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)跨越宇宙的大三角形，并計(jì)算其內(nèi)角之和，發(fā)現(xiàn)這些角度之和恰好是180度，這表明宇宙是平坦的，符合歐幾里得幾何。（相比之下，在地球上繪制一個(gè)巨大的三角形，由于地球的正曲率，其內(nèi)角之和會(huì)大于 180度。）

為了解釋這些問(wèn)題，上個(gè)世紀(jì)70年代末至80年代初，理論物理學(xué)家提出了一個(gè)名為“暴脹”的理論。暴脹模型假設(shè)，在大爆炸后的10?3?秒到10?32秒之間，宇宙經(jīng)歷了一次指數(shù)式的膨脹。如果是這樣，那么任何原初空間曲率都會(huì)被暴脹拉平。同樣地，考慮到宇宙在暴脹期間的膨脹倍數(shù)，就可以計(jì)算出今天相距非常遙遠(yuǎn)的區(qū)域在早期實(shí)際上在曾經(jīng)是極其接近的，這就解釋了為什么來(lái)自這些區(qū)域的光子具有幾乎完全相同的溫度。

而在暴脹期間，存在于宇宙結(jié)構(gòu)中的微小的、隨機(jī)的量子漲落，會(huì)被放大到天文尺度，成為所有結(jié)構(gòu)的來(lái)源。也就是說(shuō)，我們今天在宇宙看到的恒星和星系等，都起源于早期宇宙的量子漲落。

自提出以來(lái)，暴脹理論已經(jīng)經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，對(duì)我們宇宙的一些特征做出了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。如今，在大多數(shù)宇宙學(xué)家心中最迫切的問(wèn)題已不再是“宇宙暴脹是否真的發(fā)生過(guò)”，而是“它是如何發(fā)生的”。

單一場(chǎng)還是多場(chǎng)？

許多物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙暴脹是由一種新的基本力驅(qū)動(dòng)的，這種力對(duì)應(yīng)著一個(gè)新的場(chǎng)。而場(chǎng)總是對(duì)應(yīng)著粒子，暴脹場(chǎng)的假想粒子被稱(chēng)為暴脹子（Inflaton）。但其他理論學(xué)家也提出了更加復(fù)雜的暴脹模型，其中涉及到了多個(gè)場(chǎng)和多個(gè)粒子的相互作用。?????

那么要如何區(qū)分這兩類(lèi)模型呢？如果宇宙暴脹由單一場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，那么原初漲落的統(tǒng)計(jì)分布就會(huì)遵循高斯分布；但如果暴脹是多場(chǎng)相互作用的結(jié)果，那么漲落可能呈現(xiàn)更復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，偏離高斯分布。

為了進(jìn)一步理解宇宙暴脹的機(jī)制，以及揭示這一過(guò)程背后的驅(qū)動(dòng)力，一臺(tái)全新的航天器——SPHEREx（全稱(chēng)“宇宙歷史與再電離期分光光度計(jì)及冰探測(cè)器”，或“天穹號(hào)紅外光譜探測(cè)器”）即將發(fā)射升空。

SPHEREx將以前所未有的方式繪制整片天空，它將觀測(cè)天空中的一切，無(wú)論是太陽(yáng)系內(nèi)的彗星、行星，還是銀河系中的恒星，亦或是遙遠(yuǎn)的星系。

SPHEREx的藝術(shù)構(gòu)想圖。它觀測(cè)的是人眼無(wú)法探測(cè)的紅外波段。它采用光譜學(xué)技術(shù)，將光分解為102種不同波長(zhǎng)的光。光譜學(xué)不僅能揭示天體的光學(xué)特性，還能幫助科學(xué)家測(cè)量它們的距離，使SPHEREx成為研究遙遠(yuǎn)星系并繪制其3D位置的理想工具。（圖/NASA/JPL-Caltech）

盡管對(duì)宇宙微波背景的研究已經(jīng)在過(guò)去為暴脹理論提供了許多證據(jù)，但它的局限性在于僅能呈現(xiàn)二維的背景輻射圖像。相比之下，SPHEREx能夠繪制三維的宇宙圖，展現(xiàn)星系分布的三維結(jié)構(gòu)，從而為暴脹理論提供新的視角。

SPHEREx之所以適合繪制這些大尺度宇宙結(jié)構(gòu)，得益于它對(duì)紅外光的探測(cè)能力。這使其能避開(kāi)塵埃對(duì)可見(jiàn)光的干擾，從而更精確地測(cè)量星系分布。宇宙中星系的分布仍然保留了原初漲落的信息，因此通過(guò)測(cè)量星系如何聚集在一起，SPHEREx就可以驗(yàn)證哪種暴脹模型更接近真實(shí)的宇宙演化。

這條時(shí)間軸展示了宇宙從大爆炸發(fā)生至今的發(fā)展歷程。圖表分為兩部分，分別展示了兩種不同的宇宙暴脹模型，SPHEREx任務(wù)正致力于檢驗(yàn)這些模型的真實(shí)性。SPHEREx的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是探究宇宙暴脹的發(fā)生機(jī)制：它是由單一場(chǎng)（single field） 還是多個(gè)相互作用的場(chǎng)（multi-field） 驅(qū)動(dòng)的？如果是后者，那么模型預(yù)測(cè)，在超大尺度上，星系應(yīng)該會(huì)更傾向于聚集在一起，形成更密集的星系團(tuán)，同時(shí)伴隨更大的巨洞——這一特征不同于單一場(chǎng)模型所預(yù)測(cè)的情況。SPHEREx具有獨(dú)特的觀測(cè)能力，能夠繪制一張涵蓋數(shù)億個(gè)星系 的三維宇宙地圖，從而幫助科學(xué)家解開(kāi)宇宙膨脹的奧秘。（圖/Caltech / Robert Hurt (IPAC)）

SPHEREx的未來(lái)

在SPHEREx升空之后，它將持續(xù)收集數(shù)據(jù)，并在兩個(gè)月內(nèi)向公眾公開(kāi)數(shù)據(jù)。任務(wù)預(yù)計(jì)運(yùn)行兩年，完整的數(shù)據(jù)集將在一年后公開(kāi)。

除了研究宇宙暴脹的機(jī)制，即將升空的SPHEREx任務(wù)還會(huì)探索行星系統(tǒng)中水和有機(jī)分子的起源，以及追溯星系的形成歷史。（圖/NASA）

按照計(jì)劃，它將在兩年內(nèi)對(duì)全天空進(jìn)行四次繪制，并對(duì)天空中每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的光譜觀測(cè)。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)將測(cè)量102種不同波長(zhǎng)的紅外光，從而提供豐富的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將有望拓展我們對(duì)宇宙的整體認(rèn)知，幫助我們更好地研究宇宙的最大尺度結(jié)構(gòu)，深入理解早期宇宙的狀態(tài)。

#參考來(lái)源：

https://www.caltech.edu/about/news/what-hundreds-of-millions-of-galaxies-can-teach-us-about-the-big-bang

https://www.jpl.nasa.gov/press-kits/spherex/

https://spherex.caltech.edu

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：SPHEREx / NASA