如果说原初核合成与2.73开氏度的CMB黑体谱一并证实了宇宙在童年时期的成长历程,那么CMB谱上这些微小的各向异性温度涨落则为认知宇宙在原初婴儿时代的样貌提供了一扇窗口。
在之后的二十多年间,美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星和欧洲空间局的普朗克(Planck)卫星相继发射升空。它们不仅使得CMB天图的分辨率有了巨大提高,还让人类能够接近大爆炸奇点这个物理理论的“禁区”。
在顺利通过诸多高精度天文实验的检验后,热大爆炸学说晋级为现代宇宙学的标准理论模型。它描述的基本图像为:大约138亿年前,我们的宇宙创生于一个时空奇点的大爆炸。在漫长岁月的洗礼下,它从极高温的混沌状态开始演变,逐渐形成基本粒子、核子,然后经过原初核合成产生氢和氦的原子核。之后约38万年,宇宙中形成稳定的中性氢原子与早期CMB。接着在原初密度涨落的影响下,又逐渐形成由宏观物质构建起来的大尺度结构雏形。到了宇宙4亿岁时,第一代恒星终于形成,而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。从那以后,由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成。最终,我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。
宇宙需要一个奇点吗
在包含暴胀过程的热大爆炸宇宙学中,密度极大、温度极高的奇点不可避免。而反弹宇宙图像中,宇宙先是收缩,然后反弹进入热大爆炸膨胀阶段,避免了让科学家头皮发麻的奇点问题。
宇宙的故事并非看起来这么简洁明了,当反演宇宙演化到刚刚呱呱坠地的婴儿时期,热大爆炸学说本身就面临着初始条件选取的困难。比如说,是什么导致了今天的宇宙在大尺度上均匀各向同性,而又具有各种星系、星系团等结构?故事的开端——大爆炸奇点真的存在吗?那一刻宇宙发生了什么?人类在与热大爆炸学说如此匹配的CMB黑体谱上发现了微小的各向异性温度涨落,又意味着什么?
暴胀学说,是一款为描述宇宙在原初时期动力学而量身打造的宇宙学图像。它认为,在大爆炸后约10-36秒到10-32秒短暂的时间内,宇宙的单位空间尺度被放大约1080倍。这相当于瞬间把亚原子尺度的空间扩张到了太阳系尺度,这样可以抹平原初宇宙可能存在的不均匀性,于是很自然地解释了我们今天看到的均匀宇宙。不过,本该存在于微观世界的量子涨落也被拉扯到了宏观尺度上,导致了CMB温度涨落与原初密度扰动的产生,也为大尺度结构的形成埋下了种子。