普朗克卫星发现了大爆炸后1秒的“原初中微子”
时间:2015-09-15 16:40 来源:环球科学（huanqiukexue.com）
研究者找到了原初中微子在微波背景辐射上留下的痕迹。
普朗克卫星和它所绘制的温度涨落全天图。这些温度的涨落将帮助我们寻觅不可直接观测的宇宙中微子背景辐射的蛛丝马迹。图片来源：欧洲空间局（ESA）
在大爆炸后40万年内的宇宙中，由于物质和光存在很强的耦合，光不能自由传播，因此通过光来探索这一时期的宇宙是不可行的。但是中微子与这些普通物质的相互作用微乎其微，所以它们可以轻松地在初生的宇宙中穿行。在大爆炸发生的头一秒内，这些高速移动而又质量极其微小的中微子就诞生了，借由它们的帮助，人类可以窥视宇宙最初的时刻。
非常可惜的是，这些原始的中微子还从来没有被直接观察到，而且它们的能量也许太低了，我们甚至永远都没机会来探测到它们。但是最近美国加利福尼亚大学戴维斯分校的研究者在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表论文，报道他们对原始中微子进行的一次明白无误的非直接探测。这次研究是通过观测宇宙微波背景辐射的探测到中微子的。这篇文章标志着人类对宇宙中微子背景辐射（cosmic neutrino background）的首次清晰测量，也意味着大爆炸模型的主要预测之一得到了证实了。
早年间的宇宙和现在完全不一样。在大爆炸之后的瞬间，物质和能量都被紧密压缩成一团，粒子们以我们现有的对撞机难以企及的能量互相撞击着。但宇宙会随着膨胀逐渐冷却下来。就像是蒸汽冷却后变成液体，再变成固体一样，整个宇宙在膨胀的过程中也发生了好几次巨大的变化。粒子们组成第一个原子核，接下来它从炽热的等离子体变成稳定的原子，诸如此类。
其中一个重要过程叫中微子脱耦（neutrino decoupling）。这个过程发生在宇宙刚诞生的一秒之内，那时候宇宙中物质的密度已经降到了足够低的程度，使得中微子不会再与其他粒子频繁碰撞，但此。质子还没有产生，更不用说原子核了——因为每次粒子撞击的平均能量都高到足以摧毁它们。
在脱耦之后，大爆炸时产生的中微子就开始了它们漫长的宇宙之行。当然仍有些中微子会与其他粒子发生碰撞，但这只是个例。自由的中微子会布满整个宇宙，这就是宇宙中微子背景辐射，类似于宇宙微波背景辐射。随着宇宙逐渐膨胀和冷却，现在中微子背景辐射的温度差不多比绝对零度高出1.9°C，也就是说比微波背景辐射还冷一些。
识别宇宙中微子背景辐射的最大难点在于，中微子比微波难探测得多。就算是用上了诸如南极“冰立方”（IceCube）这样的大型高能中微子探测器，研究人员们也只从茫茫深空中发现了数量极少的中微子。所以说，我们现阶段基本上是不能直接观测到宇宙中微子背景辐射的。大爆炸后一秒内产生的中微子是我们能发现的最早的粒子，并且能够对探索当时的宇宙环境提供重要信息，但由于难以观测，宇宙学家们不得不扼腕叹息。
尽管我们不能直接探测到宇宙中微子背景辐射，但是很少有人怀疑它是否真的存在，因为它是大爆炸模型和粒子物理学的直接推论，而且还有好几个重要的非直接观测结果暗示中微子背景辐射确实存在，虽然对这些观测数据的解读还不是很清晰。
这篇新论文描述了对宇宙中微子背景辐射的另一次非直接观测，但是这次的观测要清楚准确得多了。这次观测的立足点在于，尽管中微子与物质脱耦了，但是它们的引力仍然能被计算出来，在宇宙的那个时期，中微子的引力和普通物质的引力几乎一样重要。而中微子在今天的宇宙中总能量的比例远低于1%，而普通物质可是贡献了宇宙总能量中的5%呢。
在大爆炸发生38万年内，宇宙微波背景辐射尚未形成，普通物质（相对于暗物质而言）都以氢和氦的等离子体形式存在，是质子、氦原子核以及电子的大乱炖。中微子的运动速度接近光速，当它们以超音速穿透充斥着宇宙的等离子时，产生的音爆会让原始等离子体的密度涨落发生细微的改变，这些密度涨落在强度和位置上的变化都是可测的。
早期宇宙中的密度涨落以声波的形式，对我们今天看到的星系分布产生了一定的影响。同样地，它们也在宇宙微波背景辐射上留下了自己的印记——在普朗克卫星和其他观测设施绘制的背景辐射图上，我们可以看到有些区域的温度会稍低或稍高一些。
这篇论文的作者使用了普朗克卫星的微波背景辐射任务数据，并且模拟了宇宙中微子背景辐射的存在与否对密度涨落造成的影响。他们还针对不同的中微子种类进行了模拟，得出的结论是：一种由三种不同“味道”（flavor）的中微子“烹制”而成的理论模型与数据最为吻合，这一结论也符合所有近期实验的结果。这是个好消息，物理学家们喜欢惊喜，但是最好一次别来太多。
中微子对于宇宙微波背景辐射的影响虽然比较细微，却很难被混淆。唯一一个与之类似的，是之前没被注意到的以接近光速的速度运动的暗物质。尽管这让人很难相信，但此次发现的效应的确是对宇宙中微子背景辐射的一次小型却清晰的间接探测。随着大量地面望远镜参与到类似的观测中，对原初中微子的研究将得到进一步的细化与发展，而不是仅仅停留在证明其存在上。
Physical Review Letters, 2015. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.091301 (About DOIs).
（撰文：马修•弗朗西斯（Matthew Francis） 翻译：马宏 审校：杨柳）
