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論計算的速度在膨脹。盡管大爆炸理論取得了驚人的成功，但它無法解釋所有的問題。

例如，它無法解釋為何宇宙微波背景（CMB）上相隔非常遙遠的兩個點具有相同的溫度？計算表明，自大爆炸以來，并沒有足夠的時間可以讓宇宙中的任意兩個地方可以實現(xiàn)這種熱平衡。

在早期宇宙中，光子無法自由傳播，因為它會不斷與附近的粒子碰撞。但到了大爆炸后約38萬年，宇宙終于冷卻到足以形成中性原子，這時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），有的溫度稍低（冷點）。（圖/ESA and the Planck Collaboration）

又比如，傳統(tǒng)大爆炸模型也無法解釋為什么今天觀測到的宇宙如此平坦。2000年進行的BOOMERANG實驗通過高空氣球攜帶的望遠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)建了一個跨越宇宙的大三角形，并計算其內(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，在地球上繪制一個巨大的三角形，由于地球的正曲率，其內(nèi)角之和會大于 180度。）

為了解釋這些問題，上個世紀(jì)70年代末至80年代初，理論物理學(xué)家提出了一個名為“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)，就可以計算出今天相距非常遙遠的區(qū)域在早期實際上在曾經(jīng)是極其接近的，這就解釋了為什么來自這些區(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、隨機的量子漲落，會被放大到天文尺度，成為所有結(jié)構(gòu)的來源。也就是說，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，暴脹理論已經(jīng)經(jīng)受住了時間的考驗，對我們宇宙的一些特征做出了準(zhǔn)確的預(yù)測。如今，在大多數(shù)宇宙學(xué)家心中最迫切的問題已不再是“宇宙暴脹是否真的發(fā)生過”，而是“它是如何發(fā)生的”。

單一場還是多場？

許多物理學(xué)家認為，宇宙暴脹是由一種新的基本力驅(qū)動的，這種力對應(yīng)著一個新的場。而場總是對應(yīng)著粒子，暴脹場的假想粒子被稱為暴脹子（Inflaton）。但其他理論學(xué)家也提出了更加復(fù)雜的暴脹模型，其中涉及到了多個場和多個粒子的相互作用。?????

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

為了進一步理解宇宙暴脹的機制，以及揭示這一過程背后的驅(qū)動力，一臺全新的航天器——SPHEREx（全稱“宇宙歷史與再電離期分光光度計及冰探測器”，或“天穹號紅外光譜探測器”）即將發(fā)射升空。

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

SPHEREx的藝術(shù)構(gòu)想圖。它觀測的是人眼無法探測的紅外波段。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)家測量它們的距離，使SPHEREx成為研究遙遠星系并繪制其3D位置的理想工具。（圖/NASA/JPL-Caltech）

盡管對宇宙微波背景的研究已經(jīng)在過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)，得益于它對紅外光的探測能力。這使其能避開塵埃對可見光的干擾，從而更精確地測量星系分布。宇宙中星系的分布仍然保留了原初漲落的信息，因此通過測量星系如何聚集在一起，SPHEREx就可以驗證哪種暴脹模型更接近真實的宇宙演化。

這條時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)正致力于檢驗這些模型的真實性。SPHEREx的一個關(guān)鍵目標(biāo)是探究宇宙暴脹的發(fā)生機制：它是由單一場（single field） 還是多個相互作用的場（multi-field） 驅(qū)動的？如果是后者，那么模型預(yù)測，在超大尺度上，星系應(yīng)該會更傾向于聚集在一起，形成更密集的星系團，同時伴隨更大的巨洞——這一特征不同于單一場模型所預(yù)測的情況。SPHEREx具有獨特的觀測能力，能夠繪制一張涵蓋數(shù)億個星系 的三維宇宙地圖，從而幫助科學(xué)家解開宇宙膨脹的奧秘。（圖/Caltech / Robert Hurt (IPAC)）

SPHEREx的未來

在SPHEREx升空之后，它將持續(xù)收集數(shù)據(jù)，并在兩個月內(nèi)向公眾公開數(shù)據(jù)。任務(wù)預(yù)計運行兩年，完整的數(shù)據(jù)集將在一年后公開。

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

按照計劃，它將在兩年內(nèi)對全天空進行四次繪制，并對天空中每一個像素點進行詳細的光譜觀測。每個觀測點將測量102種不同波長的紅外光，從而提供豐富的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將有望拓展我們對宇宙的整體認知，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

#圖片來源：

封面圖&首圖：SPHEREx / NASA