2014-03-18

宇宙暴脹的第一個直接證據

First direct evidence of cosmic inflation (Update)
http://phys.org/news/2014-03-evidence-universe-early-growth-spurt.html

Mar. 18, 2014

(Phys.org) -- 大約在 140 億年前,我們所居住的宇宙在一宗極端的、使大霹靂(Big Bang)開始事件中爆發出現。在起先短暫的幾分之一秒內,宇宙如指數般擴張,延展到我們最好的望遠鏡所能看到的視野之外。當然,這些全都只是理論。

來自 BICEP2 合作計畫的研究者今日宣佈,他們掌握到這種宇宙暴脹的第一個直接證據。他們的資料亦代表「重力波(gravitational waves,即時空中的漣漪)」的第一張影像。這些重力波已被描述成「大霹靂的第一次震顫(first tremors of the Big Bang)」。最後,這資料證實量子力學與廣義相對論之間深刻的連結。

"偵測到這種訊號是今日宇宙學中最重要的目標之一。許多人所完成的許多研究導致這一點," John Kovac 表示(哈佛--史密森天體物理學中心),BICEP2 合作計畫的領導者。

這些突破性的結果來自於 BICEP2 宇宙微波背景(CMB,大霹靂殘留下來的微光)射望遠鏡的觀測。這種餘暉中的微小波動提供了早期宇宙狀況的線索。例如,整個天空中溫度的微小差異顯現出宇宙的哪些部份較為稠密,最後終於凝聚成為星系與星系團。

由於宇宙微波背景是光的一種形態,它展現出光的所有特性,包括偏振(polarization)。在地球上,日光被大氣層散射而變得偏振化,這也是為何偏振化的太陽眼鏡有助減少眩光(glare)。在太空中,宇宙微波背景則被原子與電子散射,而且也變得偏振化。

"我們的團隊追獵一種特殊的偏振化類型,稱為「B-modes/B 模式」," 那代表遠古光線偏振方向(polarized orientations)中的扭轉(twisting)或「捲曲(curl)」模式," 共同領導者 Jamie Bock(加州理工/JPL) 表示。

重力波傳播時會擠壓空間,而這種擠壓在宇宙微波背景中產生明確的樣式(pattern)。重力波有旋向性(handedness,手型性),十分類似光波,且能有左手的(left-handed)與右手的(right-handed)偏振。

"由於重力波的旋向性,這種漩渦狀的 B-mode 圖樣是其獨有的特徵。這是整個原初(primordial)天空的第一張重力波直接影像," 共同領導者郭兆林(Chao-Lin Kuo)(史丹佛大學/SLAC) 表示。

這個團隊在大約 1 到 5 度天空跨度(sky spanning)的空間性尺度下進行檢查(滿月的二到十倍寬)。為了辦到這件事,他們遠赴南極,以利用那邊乾、冷、穩定的天氣。"南極是你最靠近太空,卻仍在地面上的地方," Kovac 說。"那是地球上最乾燥與最乾淨的地點之一,最適合觀測來自大霹靂的黯淡微波。"

他們對於偵測到的 B-mode 偏振訊號,其強度比許多宇宙學家所預期的還要更強,感到十分驚訝。該團隊花超過三年的時間分析他們的資料以排除任何可能的錯誤。他們也考慮到,我們銀河系中的塵埃是否會產生這些觀測到的圖樣,但資料指出,這情況高度不可能。

"這有點像是原本打算在乾草堆中尋找一根針,但我們卻找到了一根鐵撬," 共同領導者 Clem Pryke(Minnesota 大學) 表示。

當被要求對此發現所產生的影響進行評論時,哈佛的理論學者 Avi Loeb 表示,"這項研究對於我們某些最最基本的問題提供了新洞見:我們為何存在?宇宙如何開始?這些結果並不只是暴脹的確切證據(smoking gun),它們也告訴我們暴脹何時開始,以及這個過程的威力有多大。"

※ 相關報導:

* BICEP2 2014 Results Release
http://bicepkeck.org/

時空中偏好某方向的新證據挑戰宇宙學原理
模擬支持宇宙是一個「全像圖」
量子糾結在創造的同時會導致蟲洞產生?
微小奈米天線所創造的新全像技術
霍金:「黑洞不存在」

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台灣科學家 「宇宙大爆炸」找到證據
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8555023.shtml

【聯合晚報╱記者游婉琪/台北報導】2014.03.18c

美國研究團隊發現宇宙140億年前「大爆炸」(Big Bang)後宇宙擴張的直接證據。團隊重要成員之一郭兆林,是台灣大學物理系系友。郭兆林的學長、台大物理系教授吳俊輝說,郭兆林不僅努力又有天份,這項天文界重大發現傳來時,他「全身都起雞皮疙瘩」,真的很替學弟感到高興。

吳俊輝透露,美國研究團隊之所以有這項重大突破,關鍵在於研究計畫使用的偵測器,是由郭兆林獨門設計。一開始還有同業懷疑郭兆林的研究方法並不可行,結果證實相當管用。

吳俊輝表示,他與郭兩人雖然一個做實驗、一個做理論分析,但研究領域相近,都對宇宙誕生訊號、日月星辰怎麼出現感到好奇,至今常有合作計畫。然而支持宇宙誕生的學說,過去幾十年來都停留在理論階段,天文學家觀測到的證據薄弱,缺乏強而有力的關鍵。

吳俊輝表示,郭兆林得以進入史丹佛大學任教已經相當不易,這項突破可望替他未來在史丹佛的升等甚至爭取終身職加分不少,對這些年來埋首做實驗的郭兆林,可說是最好的肯定。

台大副校長張慶瑞說,當年曾經教過郭兆林「應用數學」,郭兆林大學畢業後,曾跟著系上教授袁旂一起做研究,之後才出國念書。據了解,郭兆林的妻兒目前人在台灣,郭兆林預計兩周後會回國。



◆ 發現天文學聖杯 「值得拿諾貝爾獎」
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8555064.shtml

【聯合晚報╱編譯范振光/綜合報導】2014.03.18

大發現 監測到重力波

包括史丹福大學華裔學者郭兆林在內的美國天文學家科研小組17日宣布,他們發現了天文學界的聖杯:大爆炸後一兆分之一秒,宇宙急速擴張留下的印記:愛因斯坦將近一世紀前提出的重力波。

30多年前提出膨脹理論的理論物理學家古斯表示,新發現「值得拿諾貝爾獎」。牛津大學天文物理學家林托特表示,這項發現是宇宙學近20年來最重大發現,許多宇宙學家17日晚上恐怕興奮得失眠。

從大海撈針到找到鐵撬

哈佛華裔學者郭兆林說:「這真讓人興奮。我們首次發現了重力波的直接影像,並證實了整個宇宙起源的理論。」明尼蘇達大學的副教授普萊克形容,他們的研究原本有如大海撈針,但「我們卻找到一根鐵撬」。

許多科學家相信,宇宙在大爆炸後以驚人速度擴張,但先前一直找不到證據。美國天文學家觀察138億年前大爆炸殘留的「餘燼」,終於首度找到證據。

印證了愛因斯坦預測

參與研究的約翰霍普金斯大學物理學家卡明柯斯基表示,新發現找到宇宙學遺失的環節。愛因斯坦1915年提出相對論,1980年代又有科學家提出膨脹理論,但直到現在,科學家找不到兩者間的關聯:重力波。重力波是以光速穿透宇宙的波動。

哈佛大學-史密森天體物理學中心、史丹福大學、加州理工學院、美國太空總署 (NASA)噴射推進實驗室、明尼蘇達大學等單位研究人員,利用位於南極的BICEP2望遠鏡掃描天空長達三年,分析微波背景輻射,獲得最新成果。他們掃描銀河系外的「南洞」,因為那裡的星塵等干擾觀測的物質較少。

大爆炸後,宇宙處於渾沌,充滿溫度極高的粒子。歷經38萬年冷卻,粒子組成原子,再形成恆星和星系,數十億年後,環繞恆星的氣體和星塵形成行星。重力波在大爆炸後的38萬年間,頻繁穿梭在宇宙間。

領導研究的哈佛天文學家柯瓦克說:「發現重力波是當下天文學界最重要的一個研究目標之一。」它能幫助天文學家理解宇宙的起源,了解宇宙如何發展出星系、星體和星雲等天體的歷程。

※ 相關報導:

* 為何是在南極發現?
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8555066.shtml

....至於為什麼會在南極發現,王為豪說明,微波會被水分子干擾,南極因為地處高原,加上空氣中的水分子幾乎都因為低溫凝結,是地球上觀測宇宙微波的最好地點。加上儀器不斷精進下,才終於有這個天文學上相當重要的發現。

* 郭兆林 對南極熟悉得像自家後院
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8555069.shtml

發現宇宙大爆炸直接證據的台灣科學家郭兆林去年在美國一場演講中,回顧20多年科學研究之路,他表示,學術界競爭激烈、工時長、報酬低,成功機率不高,必須對「可能的結果」感到興奮才能持續,而且要有紮實的B計畫。他認為「差可告慰」的是,至今所遇到的科學界同事,都是聰明認真,純潔高尚之士,充分善用納稅人的每一分錢。

....在太太周念縈眼中,先生是一個「做人滿成功的人」,在實驗室時不僅願意給學生很大的自主性,也會適時給予專業提點,在學校裡開設的天文觀察入門課程,也相當受到學生歡迎。消息一傳出,修過他課的學生都感到與有榮焉。

周念縈剛生完第二個小孩不久,目前是全職家庭主婦。除了全心照顧兩個孩子,周念縈也是郭兆林的工作伙伴,大學畢業後周念縈一邊念新聞所、一邊在聯合報擔任編輯。後來兩人還合作翻譯科普書籍,包含《愛因斯坦: 他的人生他的宇宙》、科學家霍金的《我的人生簡史》、《圖解人生簡史》等。

* 郭兆林將返台 台大擬安排演講
http://www.cna.com.tw/news/aedu/201403180326-1.aspx

台大今天表示,參與美國研究團隊並發現宇宙初期擴張證據的台大物理系友郭兆林預計兩週後返台,屆時可能會安排科普演講。

fsj 提到...

宇宙暴脹論 郭兆林團隊找到證據!
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8556825.shtml

【聯合報╱編譯張佑生、范振光/綜合報導】2014.03.19

愛因斯坦的「重力波」在南極歷經9年觀測 終獲證實
有實力問鼎諾貝爾獎 「大海撈針 結果找到一根鐵撬」

美國科學團隊十七日宣布偵測到愛因斯坦一百年前提出的「重力波」,成為一百卅八億年前宇宙發生大爆炸的直接證據,研究計畫最關鍵的偵測儀器由台大物理系畢業、現任美國史丹福大學物理系助理教授的郭兆林設計;學界認為,證明重力波的存在讓研究團隊具有問鼎諾貝爾的資格。

一百卅八億年前,宇宙在大爆炸後的不到兆分之一秒以驚人速度擴張形成我們認知的宇宙,這是所謂的「宇宙暴脹論」,因為一直找不到證據「重力波」,只能當理論。

在南極透過BICEP2天文望遠鏡歷經九年的觀測,郭兆林所屬的研究團隊總算找到宇宙大爆炸後產生的重力波。研究團隊由哈佛大學教授柯瓦奇領銜,核心成員除了郭兆林,還有加州理工學院的柏克和明尼蘇達大學的普萊克。選擇南極是因為當地最乾燥也最乾淨,觀測的干擾最少。

郭兆林說:「這真讓人興奮。我們首次發現重力波,並證實宇宙起源的理論。」普萊克形容,研究原本有如大海撈針,但「我們卻找到一根鐵撬」。

沒有參與研究的哈佛大學天文學者羅布表示:「這項發現提供了對某些基本問題解答的新想法:人類為何存在?宇宙是如何開始的?觀測結果不僅是宇宙暴脹論的鐵證,也說明了宇宙何時發生暴脹和過程的威力有多大。」

羅布表示:「如果獲得確認,這將是發現宇宙正加速擴張後最重要的發現。」羅布將觀測到重力波和一九九八年的觀測開啟對「暗能量」的認識相提並論,三位研究者在二○一一年獲得諾貝爾物理獎。

郭兆林表示,觀測的重點在於尋找重力波的特徵B-mode。他刊登在二○○五年十二月「物理雙月刊」中的論文提到:「如果以偏級量的變化方向作為局部座標,將偏極(polarization,光子的自旋分布)分解為與變化方向平行以及與變化方向呈四十五度角的兩個分量(分別稱為E-mode與B-mode),依據簡單的鏡像對稱原理,線性的純量微擾完全不會造成任何的B-mode偏極。換句話說,要是觀測到B-mode偏極,等於是看到張量微擾,也就是宇宙重力波背景。」

相關研究可上網查看。網址:http://bicepkeck.org。



◆ 找物理聖杯 關鍵偵測儀器郭兆林設計的
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8556834.shtml

【聯合報╱記者陳皓嬿/台北報導】2014.03.19

美國研究團隊證實宇宙誕生時快速暴脹的印記─宇宙微波背景輻射不均勻的極化;科學家們興奮不已,因為這證實宇宙大爆炸後,的確在短時間內以超光速膨脹,讓日月星辰和我們得以出現,若宇宙沒有暴脹,將是一片虛無。

能搶先觀測到證據,要歸功台裔科學家郭兆林,台大天文物理研究所教授吳俊輝說,郭設計BICEP2偵測器比別人都還好、還靈敏,才能觀測到非常微弱的宇宙訊號。中研院天文所副研究員王為豪形容郭兆林搶到「物理界聖杯」。

台大物理所教授陳丕燊解釋,暴脹是指宇宙大爆炸後十的負卅五次方秒內,就從一個小點、暴增成原體積的十的廿五次方倍大,換句話說,暴脹就是宇宙在手表滴答一秒都不到的時間,從一個原子的大小,長成太陽系那麼大。

吳俊輝說,暴脹過程中,物質會猛力拉扯宇宙時空,產生重力波,「想像我朝空中、你的方向打了一拳,而我的拳頭前產生重力波讓空間扭曲,於是你看到我的臉也會扭曲」,他說也有點像電影功夫中,包租婆使出獅吼功的感覺。

國立自然科學博物館館長孫維新說,由於宇宙持續擴張一百四十億光年那麼大,暴脹時產生的重力波已經相當微弱,幾乎觀測不到,科學家轉而尋找重力波留下的痕跡─微波背景輻射。

孫維新說,因微波背景輻射也很微弱,團隊才要跑到南極觀測,因為南極的空氣稀薄、又乾燥,儀器較不受大氣中的水氣干擾,「是地面上最接近太空的地方」;加上郭兆林的儀器靈敏,才讓團隊搶先觀測到訊號。

吳俊輝表示,暴脹會讓宇宙中的物質分布不均勻,有些地方密、有些地方疏,密的地方物質逐漸聚集在一起,形成星星、月亮和萬物,疏的地方則變成太空。



◆ 郭兆林老婆:他像大霹靂進步超快
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8556840.shtml

【聯合報╱記者何定照/台北報導】2014.03.19

台灣科學家郭兆林等人發現「大爆炸」後宇宙擴張的直接證據「重力波」,他的太太周念縈說,郭兆林等六人都非常高興,因為大家原本認為這輩子可能找不到重力波,沒想到突然就找到了,「人生有如瞬間到頂」。

去年憂 找不到重力波

周念縈說,郭兆林去年十月還擔憂「可能沒有重力波」。喜訊剛證實時,四十一歲的郭兆林因原本預期要花一輩子去找重力波,頓生「接下來我何去何從」之感,但很快又活躍自信,覺得人生充滿源源不絕的動力。

睡很多 靈感也非常多

周念縈笑說,郭兆林的動力最大來自充足睡眠,多年前她就曾笑他「李遠哲一天睡四小時,你一天要睡十小時,將來你成名,我一定要跟記者說你睡非常多。」郭兆林則回說都在夢中得到靈感,還自豪永遠不怕靈感偷走,因為他「靈感非常非常多」。

做家事 就像一般的人

外界常認為科學家一定日夜埋頭苦幹,周念縈說,郭兆林真的是一般人,甚至對家庭花的時間比其他男性都多,天天做家事、顧小孩。

「我是他的迴音板,就像一面鏡子般和他每天思辯。」她說,老公會談遇到困境等,她則以外行人身分「亂說一通」,老公就會在她無厘頭對應中釋放壓力,並獲得靈感。

周念縈讀台大法律系大三時,在天文社、航空社社辦遇到物理系大四的郭兆林。她笑說,當時他成績很差,好像考不上研究所;沒想到郭兆林不但考上研究所,還越來越厲害,「就像大霹靂一樣進步超快。」

史丹福 邀他任終身職

外界看她,常形容她是「成功男人背後的女人」,周念縈說,她也有委屈的時刻,她不工作,常被質疑。然而她早早認為人生幸福最重要,不用花最多時間在工作,「看孩子、看先生成長就很好,老公能這麼平衡,正是因為跟我在一起的關係。」

周念縈也透露,郭兆林已受史丹佛大學邀請為終身職。



◆ 上周郭兆林帶著香檳 訪暴脹之父
http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS4/8556876.shtml

【聯合報╱編譯張佑生/綜合報導】2014.03.19

一九八三年首度提出宇宙渾沌暴脹(chaotic inflation)理論的美國加州史丹福大學物理系教授林德,上周準備到加勒比海小島度假時,突然有人敲門;林德問太太,是否有叫外賣?打開門一看,竟是同事郭兆林,而且還帶著一瓶香檳。

史丹福大學特別安排郭兆林造訪林德,告知首度偵測到宇宙暴脹論直接證據的重力波;林德夫婦得知後露出難以置信的表情,掩不住開心情緒。這段過程被拍了下來並放上YouTube。

郭兆林在影片中說:「我要告訴林德教授我們發現暴脹論的確鑿證據,他完全不知道我要來。」影片中也可看到,應門的林德夫婦相當驚訝。

郭兆林宣布好消息後,同樣也是史丹福大學物理系教授的林德妻子卡洛許立刻給郭兆林一個擁抱。林德仍難以置信,「什麼?等等……你可以再說一次嗎?」

林德在影片中說:「當時我們沒料到會有人來訪。我太太說:『可能是有人送貨來。你有訂什麼東西嗎?』」林德告訴紐約時報:「我想我們應該沒有訂什麼東西。但我忘了,我的確有訂東西,卅年前訂的,現在終於送到了。」

郭兆林開香檳與林德夫婦一同慶祝。林德表示:「我們現在討論的是宇宙在大爆炸後的千萬億分之一秒的情景,我們看見了大爆炸的面貌:重力波的影像具有大爆炸中產生的量子引力的特徵,這是(宇宙起源)故事剩下的部分。」

林德在影片最後仍止不住笑容,表示這樣的發現實在是「太有幫助了。真的、真的太有幫助了」。

正在度假的林德表示仍處於高度亢奮的狀態:「這樣的新聞是破壞度假心情的最佳方式。」

郭兆林造訪林德的影片網址: http://www.youtube.com/watch?v=ZlfIVEy_YOA