焦點故事
尋找宇宙的開端
公佈於2021年03月24日

大多數人仰望夜空時只會欣賞星星和銀河,但巫惠玲博士卻鍾情於星星和銀河之間漆黑中所透出的微弱閃光,就如背景雜訊一樣,可能藏著通向了解宇宙奧秘的大門。

巫惠玲博士是2015年裘槎博士後研究獎學金得主。她是美國芝加哥大學科維理物理宇宙學研究所的博士後研究生,主力研究宇宙重力波和輻射。2015年,她在美國史丹福大學進行設計、測試和整合第三代宇宙泛星系偏振背景成像(BICEP3)望遠鏡的工作,並取得物理博士學位,隨後移居到芝加哥。

巫惠玲博士在香港土生土長,2014年遠征南極洲參與考察,研究宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)輻射。

科學領域大致認同CMB是宇宙大爆炸後留下來的電磁輻射,於1964年由阿諾·彭齊亞斯(Arno Allan Penzias)及羅伯特·威爾遜(Robert Woodrow Wilson)意外發現,兩位後來因此而取得諾貝爾獎。

巫博士說:「在宇宙初期還沒有星星或銀河的時候,CMB已經被釋放。當CMB向不同方位傳播時,宇宙亦開始形成銀河等不同結構。」這些銀河和星星在重力位能井(gravitational potential wells)較為常見。

一部分的CMB被偏振(polarised),意思是它的電場以規則方向震動。不同程度的偏振讓研究人員看到緊接著大爆炸的光源變動。

為了量度CMB的偏振,巫博士的團隊在位於地理南極點的美國研究站阿蒙森─史葛南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)安裝了一台BICEP3望遠鏡。

南極洲為地球最南端的大洲,是一個極地沙漠。雖然天氣惡劣,普遍氣溫低至攝氏零下60度,但是大氣水氣含量極低,是研究宇宙太空的理想環境條件。巫博士解釋:「水與觀察毫米波的關係非常密切,原因是水會吸收毫米波光子,影響我們的觀察結果。」

「人造衛星上的望遠鏡就沒有這個問題,因為在太空的衛星沒有大氣層。不過,如果你要從地面上進行觀察,就要盡量找一個水蒸氣含量低的地點。」

南極洲被許多科學家視為一個重要的研究基地,並不止這個原因。巫博士說,南極洲每年只有一次日出和日落,使它成為「世界獨一無二的研究地點」。由於太陽的移動速度非常慢,大氣層維持在接近恆定的溫度,科學家可以排除每天加熱或冷卻的環境溫度變化,有利進行研究。

利用在南極取得的數據,巫博士等科學家可以繪製出CMB的細微變化(下圖)。她說:「紅點和藍點代表該區域的溫度,這些溫度的波動落在幾百開爾文微度(μK)之間。」

在宇宙微波背景裏的波動。圖片由歐洲太空總署(ESA)提供。

因此,CMB偏振的波動可以由時空漣漪(ripples in space-time)產生,是太初重力波(primordial gravitational waves)的標誌。

巫博士解釋:「現在的工作是要尋找太初重力波,然後進行量度或設定波動上限。」她現時以Deep Skies 合作計劃會員的身分進行這項工作。Deep Skies 合作計劃齊集來自世界各地各個研究所的研究人員,利用大數據和人工智能探索宇宙最遠的角落。

她說:「如果我們可以量度太初重力波,就能夠了解宇宙開初10^{-33}秒的狀態。」

巫博士2015年後就再沒去過南極,但她希望可以再去一趟這個她稱為「科學家夏令營」的研究地點:「你不需要擔心食物及其他事情,可以全程投入工作。」

對於巫博士一個這麼熱愛自己工作的人來說,這真的是最好不過了。

巫惠玲博士現為美國芝加哥大學科維理物理宇宙學研究所的博士後研究生。她從香港移居到美國密歇根州的安娜堡(Ann Arbor),在密歇根大學修讀數學及物理學學士課程。2015年,她在美國史丹福大學取得物理學博士學位,隨後移居到芝加哥。巫博士於2015年取得裘槎博士後研究獎學金。

延伸閱讀:

  1. 巫惠玲博士的個人專頁(裘槎基金會):https://scholars.croucher.org.hk/scholars/w-l-kimmy-wu