大爆炸后的暴胀
根据大爆炸理论，我们的宇宙始于138亿年前。它的初始密度和温度高得难以想象。自那之后，宇宙一直在以可以用广义相对论计算的速度在膨胀。尽管大爆炸理论取得了惊人的成功，但它无法解释所有的问题。
例如，它无法解释为何宇宙微波背景（CMB）上相隔非常遥远的两个点具有相同的温度？计算表明，自大爆炸以来，并没有足够的时间可以让宇宙中的任意两个地方可以实现这种热平衡。
在早期宇宙中，光子无法自由传播，因为它会不断与附近的粒子碰撞。但到了大爆炸后约38万年，宇宙终于冷却到足以形成中性原子，这时光子便可以自由地传播，形成了宇宙微波背景（CMB）。CMB的温度几乎是一样的，只存在非常微小的温度起伏，有的区域温度稍高（热点），有的温度稍低（冷点）。（图/ESA and the Planck Collaboration）
又比如，传统大爆炸模型也无法解释为什么今天观测到的宇宙如此平坦。2000年进行的BOOMERANG实验通过高空气球携带的望远镜绘制了宇宙微波背景，并提供了宇宙平坦性的有力证据。科学家们利用这些数据构建了一个跨越宇宙的大三角形，并计算其内角之和，发现这些角度之和恰好是180度，这表明宇宙是平坦的，符合欧几里得几何。（相比之下，在地球上绘制一个巨大的三角形，由于地球的正曲率，其内角之和会大于 180度。）
为了解释这些问题，上个世纪70年代末至80年代初，理论物理学家提出了一个名为“暴胀”的理论。暴胀模型假设，在大爆炸后的10⁻³⁶秒到10⁻³²秒之间，宇宙经历了一次指数式的膨胀。如果是这样，那么任何原初空间曲率都会被暴胀拉平。同样地，考虑到宇宙在暴胀期间的膨胀倍数，就可以计算出今天相距非常遥远的区域在早期实际上在曾经是极其接近的，这就解释了为什么来自这些区域的光子具有几乎完全相同的温度。
而在暴胀期间，存在于宇宙结构中的微小的、随机的量子涨落，会被放大到天文尺度，成为所有结构的来源。也就是说，我们今天在宇宙看到的恒星和星系等，都起源于早期宇宙的量子涨落。
自提出以来，暴胀理论已经经受住了时间的考验，对我们宇宙的一些特征做出了准确的预测。如今，在大多数宇宙学家心中最迫切的问题已不再是“宇宙暴胀是否真的发生过”，而是“它是如何发生的”。
单一场还是多场？
许多物理学家认为，宇宙暴胀是由一种新的基本力驱动的，这种力对应着一个新的场。而场总是对应着粒子，暴胀场的假想粒子被称为暴胀子（Inflaton）。但其他理论学家也提出了更加复杂的暴胀模型，其中涉及到了多个场和多个粒子的相互作用。
那么要如何区分这两类模型呢？如果宇宙暴胀由单一场驱动，那么原初涨落的统计分布就会遵循高斯分布；但如果暴胀是多场相互作用的结果，那么涨落可能呈现更复杂的统计性质，偏离高斯分布。
为了进一步理解宇宙暴胀的机制，以及揭示这一过程背后的驱动力，一台全新的航天器——SPHEREx（全称“宇宙历史与再电离期分光光度计及冰探测器”，或“天穹号红外光谱探测器”）即将发射升空。
SPHEREx将以前所未有的方式绘制整片天空，它将观测天空中的一切，无论是太阳系内的彗星、行星，还是银河系中的恒星，亦或是遥远的星系。
SPHEREx的艺术构想图。它观测的是人眼无法探测的红外波段。它采用光谱学技术，将光分解为102种不同波长的光。光谱学不仅能揭示天体的光学特性，还能帮助科学家测量它们的距离，使SPHEREx成为研究遥远星系并绘制其3D位置的理想工具。（图/NASA/JPL-Caltech）
尽管对宇宙微波背景的研究已经在过去为暴胀理论提供了许多证据，但它的局限性在于仅能呈现二维的背景辐射图像。相比之下，SPHEREx能够绘制三维的宇宙图，展现星系分布的三维结构，从而为暴胀理论提供新的视角。
SPHEREx之所以适合绘制这些大尺度宇宙结构，得益于它对红外光的探测能力。这使其能避开尘埃对可见光的干扰，从而更精确地测量星系分布。宇宙中星系的分布仍然保留了原初涨落的信息，因此通过测量星系如何聚集在一起，SPHEREx就可以验证哪种暴胀模型更接近真实的宇宙演化。
这条时间轴展示了宇宙从大爆炸发生至今的发展历程。图表分为两部分，分别展示了两种不同的宇宙暴胀模型，SPHEREx任务正致力于检验这些模型的真实性。SPHEREx的一个关键目标是探究宇宙暴胀的发生机制：它是由单一场（single field） 还是多个相互作用的场（multi-field） 驱动的？如果是后者，那么模型预测，在超大尺度上，星系应该会更倾向于聚集在一起，形成更密集的星系团，同时伴随更大的巨洞——这一特征不同于单一场模型所预测的情况。SPHEREx具有独特的观测能力，能够绘制一张涵盖数亿个星系 的三维宇宙地图，从而帮助科学家解开宇宙膨胀的奥秘。（图/Caltech / Robert Hurt (IPAC)）
SPHEREx的未来
在SPHEREx升空之后，它将持续收集数据，并在两个月内向公众公开数据。任务预计运行两年，完整的数据集将在一年后公开。
除了研究宇宙暴胀的机制，即将升空的SPHEREx任务还会探索行星系统中水和有机分子的起源，以及追溯星系的形成历史。（图/NASA）
按照计划，它将在两年内对全天空进行四次绘制，并对天空中每一个像素点进行详细的光谱观测。每个观测点将测量102种不同波长的红外光，从而提供丰富的宇宙学数据。这些数据将有望拓展我们对宇宙的整体认知，帮助我们更好地研究宇宙的最大尺度结构，深入理解早期宇宙的状态。
#参考来源：
https://www.caltech.edu/about/news/what-hundreds-of-millions-of-galaxies-can-teach-us-about-the-big-bang
https://www.jpl.nasa.gov/press-kits/spherex/
https://spherex.caltech.edu
#图片来源：
封面图&首图：SPHEREx / NASA
