关于科学的故事常常暗示着一个稳步进步的过程——从假设到启示的直接路径。但事情很少是这样的。进步的道路通常充斥着错误的开始、错误的转弯和其他失误——正如BICEP2合作组织（一个天文学家和物理学家群体）最近发现的那样。
2014年3月，他们向全世界宣布，他们在南极的一个小型望远镜发现了可能是在宇宙大爆炸后万亿分之一万亿分之一万亿分之一秒内产生的引力波的迹象——这可能为我们打开一扇通往新物理学领域的大门。这些初步发现获得了国际媒体的关注。但同年晚些时候，新的数据显示，他们看到的信号主要是由于我们银河系中的尘埃，而不是来自宇宙黎明的引力波。
这次经历让BICEP（宇宙大尺度结构背景成像）团队感到失望。但哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的约翰·科瓦奇（John Kovac）声称，“科学进程最终还是奏效了。”他是该实验的负责人。他和他的同事们明白两年前他们错在哪里，现在正在进行后续观测，寻找约138亿年前宇宙大爆炸产生的引力波的迹象。（这些引力波与今年由激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到的、源自黑洞合并的引力波是不同的。）
“我们的望远镜以越来越快的速度和更高的灵敏度持续收集数据，”科瓦奇说，“不确定性也在持续缩小。”
竞争也在升温，在BICEP旁边的南极望远镜（SPT）以及智利的许多天文台也在进行同步搜索。将搜索范围扩展到北半球的计划也在进行中。“我们知道要取得进步需要什么，”科瓦奇补充道。“人们很兴奋，也许比以往任何时候都更兴奋。”
我们正再次站在物理学和宇宙学新时代的边缘——但这一次，兴奋中夹杂着谦逊感，以及对更高、不可动摇的严谨性的要求。
搜寻黎明时的微光
宇宙微波背景（CMB）是由充斥所有空间的宇宙大爆炸的残余光组成的。构成这种近乎均匀的辐射背景的光子是宇宙中最古老的，它们已不间断地旅行了近140亿年。
CMB为研究宇宙提供了一种强大的方式，自半个世纪前发现以来，天文学家们一直以越来越高的精度对其进行 scrutinize。结果与“宇宙暴胀”（一项1979年的理论）的预测一致，该理论认为宇宙在大爆炸后最初的时刻经历了一个短暂的爆炸式增长期。这种剧烈的膨胀为宇宙大爆炸提供了驱动力，为我们今天看到的星系和其他天体结构奠定了基础。
但科学家们想要证据。理论家预测，暴胀爆发会释放引力波，而引力波又会在CMB的光中留下一个被称为B模的微弱、旋转的模式。这就是天文学家们现在正在寻找的暴胀的标志——也是他们在两年前最初认为自己发现的。
然而，这项测量极具挑战性：研究人员寻找CMB中微小的变化，其幅度约为十万分之一。此外，我们对宇宙大爆炸残余光的观测受到我们自身银河系中来源的阻碍：上述的尘埃和来自宇宙射线的所谓同步辐射。
天文学家需要极其详细地绘制出这些“前景”源的图谱，以便将它们与有用的信号区分开来。BICEP团队目前的策略是采用多个调谐到不同频率的光的望远镜——在这种情况下是95、150、215和231 GHz——而BICEP2在2014年发布的结果是基于单一频率（150 GHz）的测量。“通过在不同频率上进行测量，你可以看到什么在高频下会变亮（尘埃），什么在低频下会变暗（同步辐射），”科瓦奇解释说。“保持不变的是CMB本身。”
今天的增强型BICEP搜寻利用了位于几百码外的Keck Array的五个额外的互联望远镜，每个望远镜都与BICEP2相当。这些望远镜不断地在同一小块天空中前后移动，寻找平均值的微小偏差。更多的探测器意味着更多的数据，从而能够更清晰地分辨出细微的模式。
费米实验室的科学家们正在检查将用于升级的南极望远镜的光学探测器。| Bradford Benson/University of Chicago/Fermilab
BICEP和邻近的SPT项目受益于共享同一栋建筑和共同的视野。两个望远镜都聚焦于同一小片天空，便于比较结果。由于SPT比BICEP2望远镜大得多——直径为10米，而BICEP2约0.25米——它在剔除与引力波无关的信号方面做得更好。BICEP团队可以利用这些信息来减去前景，然后聚焦于他们的主要目标——宇宙大爆炸时期的B模。
SPT将在今年晚些时候从1600个探测器升级到16000个探测器，其数据将补充BICEP和Keck阵列的数据。“合并我们的结果使两个搜寻都更加强大，”领导SPT项目的芝加哥大学天体物理学家约翰·卡尔斯特伦（John Carlstrom）说。
新的视角
正如房地产一样，在天文学中，地点至关重要。大多数专家认为南极是地球上进行地面CMB观测的最佳地点。极度的寒冷使大气层成为世界上最干燥的，因此更容易穿透。但由于BICEP和SPT团队只观测天空的1%，其他观测点可以帮助确认暴胀B模的观测结果。
“我们从BICEP2中学到的教训是，如果你声称在一个天空区域发现了宇宙大爆炸时期的B模，你就需要观测另一个天空区域，”麻省理工学院和CfA的天体物理学家孟苏（Meng Su）说。“如果你在两个不同的天空区域、两台不同的望远镜和两个不同的前景中都得到相同的结果，那么它就更有说服力了。”虽然这种方法在天文学中很常见，但能够进行这种交叉检查的新设施才刚刚开始投入使用。
最后一缕阳光照射在南极望远镜（右）和BICEP3上。| Steffen Richter/vagabonpix.com
为此，几台望远镜正在智利安第斯山脉的高处搜寻CMB。这是一个好的开始，但最终目标——全天空覆盖——也将需要北半球的望远镜。孟苏正在推动在西藏高海拔高原（海拔16000至20000英尺）建立一个新的CMB天文台。天文学家们也在探索在格陵兰岛的Summit Station建立CMB设施的可能性，该站位于10000英尺高的冰盖顶部。
约翰霍普金斯大学的理论家马克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）解释说，全天空覆盖是一个优先事项，“因为如果我们从南极看到引力波信号，我们应该能在所有方向上看到它，无论从地球上的哪个地方都能为我们提供清晰的窗口。”
研究图像显示了难以捉摸的B模信号（左侧），仅在减去背景星系（右侧）的显著噪声后。| ESA/Herschel/NSF/SPT
SPT的卡尔斯特伦（Carlstrom）则在积极推广所谓的“第四阶段”（Stage IV）实验。这项由美国牵头的倡议旨在协调全球的努力，并通过在南极洲和智利的不同地点以及计划中的未来站点总共安装多达50万个探测器，来极大地提高最佳地面望远镜的灵敏度。其目标是在无法直接发现的情况下，对引力波信号的强度设定更严格的限制。卡尔斯特伦说，如果第四阶段计划成功，天文学家们将在十年内探测到引力波，或者意识到暴胀可能比最初设想的要复杂。
卡米翁科夫斯基（Kamionkowski）对我们现在“近在咫尺”就能看到真正的宇宙大爆炸时期引力波感到非常兴奋。精确的测量将告诉我们很多关于暴胀本身的信息——用他的话来说，这是“启动宇宙大爆炸”的理论。而且我们可能很快就会知道是什么首先启动了暴胀。“通过极大地缩小暴胀模型的范围，”卡米翁科夫斯基说，“也许在未来几年里，我们就能找到这个问题的答案。”这将是历史上最伟大的宇宙学成就之一——而且，我们假设，这一次的结果将会是确凿的。
