宇宙背景辐射现异常偏振光 预示新物理学理论

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【大纪元2020年12月20日讯】(大纪元记者笛睿编译报导)宇宙微波背景(CMB)是科学家认为在宇宙大爆炸后仅38万年的时候,刚冷却到足以让离子和电子结合形成原子的时刻,宇宙内传播的光线。

近期一份发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的研究,发现了宇宙微波背景数据中存在偏光效果。研究者认为,这意味着宇称守恒(parity symmetry)理论将被打破,必须有新的物理学理论才能对其做出解释。

现代物理学的标准模型里面提到了宇称守恒,称如果把宇宙翻转,宇宙将呈现镜面效应,所有的物理学定律仍然适用。而放射衰变中亚原子粒子间的弱相互作用,是这个理论范围内唯一允许的例外情形。再发现其它任何打破宇称守恒的例外情形,都将超出物理学标准模型能够解释的范围。也就说,那就需要构建新的物理学理论。

这份研究发现,宇宙微波背景数据中存在异常的偏振光现象。偏振光现象就是当光线照射在某种物体上被偏向某个方向折射的现象。玻璃、水面都会偏折光线,比如人们熟悉的偏光太阳镜,正是这个原理在生活中为人们带来方便的例子。彩虹则是自然界偏光效果的例子。

在宇宙的初期,也就是前面提到的大爆炸后只有38万年的时间点,科学家推测那时的宇宙高温、高密度,不存在任何原子。那时的宇宙充满了质子、电子、电离态的等离子体等,不透明,像一团浓雾的状态。

在这之后,当宇宙降温到一定的程度,质子和电子才会结合诞生中性的氢气原子,这时候宇宙才开始透光,也就是光子才能开始自由地传播。

在这个关键的过程中,科学家猜测,光子撞上电子将发生折射,导致宇宙微波背景光线出现偏光的效果。所以这部分偏光效果蕴藏了早期宇宙那个关键的过渡阶段的信息。科学家特别关注这些光线是否偏转了一个角度。

科学家将这个角度称为β,认为它将透露暗物质和暗能量与早期宇宙光线CMB互动的信息。“如果暗物质或暗能量与宇宙微波背景光线的互动,存在任何打破宇称守恒的现象,我们从偏振数据中将能够找到特征。”主要研究者之一日本高能促进剂研究组织(High Energy Accelerator Research Organisation)的米那米(Yuto Minami)说。

以前,科学家不明确数据中看到的偏光特征,是由于探测器角度的偏转造成,还是光线数据内真正的β偏转角。

这个研究组发现一个办法,利用相同的探测器观测来自银河系的光线。因为银河系内的光线抵达地球的路程相对很短,可以忽略受到暗物质或暗能量的影响,观测这些数据中出现的任何偏转,都说明是观测仪器的偏转。

于是研究人员从CMB数据中扣除仪器的偏转,剩余的部分就是科学家想了解的宇宙早期光线的β偏转。

研究称,使用这个办法得到的β偏转值不是零,确定性为99.2%。这看起来很高,但是要宣布有新的物理发现,确定性必须达到99.99995%。

研究者表示,这项发现意味着,CMB数据是值得研究人员继续钻研的方向。另一位研究者日本卡夫里宇宙物理与数学研究所(Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe)的天体物理学家小松荣一郎(Eiichiro Komatsu )说:“很明显我们还未找到可以宣布物理学新发现的确凿证据,但是我们很兴奋,因为我们的新方法终于让我们实现了原本不可能进行的测量,而且看到这可能蕴藏着新的物理学问题。”◇

责任编辑:孙芸

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