為了瞭解這一切是如何開始的，你必須走到地球的盡頭--準確地說，是距離南極的阿蒙森-斯科特站(Amundsen-Scott Station)1公里的地方。在那裡，一架望遠鏡蜷縮在巨大的白色荒野上，捕捉來自從時間之初足夠近的光線，以尋找一個最古老問題的答案：宇宙是如何形成的。
其中一個最著名的答案是，宇宙在最初的時刻就有了驚人的增長，在短短几秒鐘內膨脹的範圍幾乎與隨後的138億年中的膨脹範圍一樣大。
幾年前，建造南極望遠鏡的研究人員確信，他們已經找到了宇宙膨脹的證據，這些漩渦圖案是用遠古光線寫成的，標誌著宇宙早期的膨脹。他們的發現登上了世界各地的頭條。然後他們意識到在他們的分析中有一個錯誤，結果化為烏有。
但這還不是故事的結尾。那些物理學家重新開始工作，現在，差不多五年過去了，他們已經準備好了要真正抓住獵物。這一次他們一定會更加謹慎。目前至少在十年內，由於沒有其他望遠鏡能夠觀測到這些難以捉摸的信號，他們升級後的探測器是我們找到萬物起源真相的最好機會。
芝加哥大學的宇宙學家丹·胡珀（Dan Hooper）說：“這可能是當今宇宙學中最令人興奮的事情。通過這些實驗，我們現在正開始探索我們預期會發現膨脹信號的地區。”
這臺望遠鏡尋找的光被稱為宇宙微波背景(CMB)。在大爆炸後的38萬年裡，除了一堆又熱又濃的亞原子粒子，什麼都沒有。光子，夾在它們之間，無法逃脫。然後物體冷卻到足以形成氫原子，此時光子可以不受阻礙地移動。就好像有人按了一下開關：光從四面八方射出，宇宙變得透明瞭。CMB是由最初被釋放的光子組成的。
你用肉眼看不到這束光，因為隨著宇宙的擴張，它從可見光延伸成微波，因此得名。但它滲透到了所有的空間，從各個方向落在地球上，它一直是一個豐富的信息來源。法國巴黎迪德羅大學（Paris Diderot University）的雅克•德拉布羅耶（Jacques Delabrouille）表示：CMB非常特別，它是一種背景光，照射在它發射到我們之間的所有結構上，因此它基本上探測了整個宇宙的歷史。”
它所能闡明的最具爭議的觀點之一是宇宙膨脹，這一假設描述了宇宙在最初時刻是如何膨脹的。雖然這聽起來很奇怪，但對於星系在宇宙中令人驚訝的平滑分佈來說，膨脹是一個很好的解釋。令人驚訝的是，因為量子理論告訴我們，微小的能量波動應該在宇宙的最初時刻不斷冒出來。這將導致粒子在隨機的地方進入和消失，導致物質的不均勻分佈，而這種分佈本應隨著宇宙的擴大而放大。但我們看不到這種不平衡。我們觀察到的平滑宇宙可能是由一種迅速的初始增長所導致的，這種增長消除了這種不平衡的差異。
至少，這就是各種膨脹模型所爭論的，而CMB已提供了一定程度的支持。2018年7月，歐洲航天局的普朗克衛星發佈了有史以來最精確的CMB地圖。它繪製的微小溫度變化與最流行的膨脹模型中的幾個關鍵預測基本一致。
普林斯頓大學的宇宙學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）是膨脹假說的原始設計師之一，他和其他一些人現在都認為，從本質上講，這一假說過於靈活，無法通過觀察加以排除。他們認為我們應該認真考慮一個最突出的選擇：我們的宇宙是前一個宇宙崩潰和反彈的結果。最近，這個巨大的反彈場景本身也有一些“反彈”，有幾個小組證明，它在理論上是可能的，而不需要引用奇怪的物理就可以實現。
CMB可以解決這一問題，但只有當我們能夠更詳細地瞭解它的微波是如何沿著行進方向螺旋前進時，我們才能增強當前的圖像。普朗克確實映射了這一特性，也就是所謂的偏振，但靈敏度有限。所以即使到了現在，我們也幾乎沒有觸及到問題的表面。德拉布羅耶說：“這就是CMB最後的秘密所在。”
他們的想法是，一次猛烈的膨脹會在早期宇宙的結構中造成動盪，產生引力波。激光干涉引力波觀測站(LIGO)的創始人因探測黑洞碰撞產生的時空漣漪而在2017年獲得諾貝爾物理學獎。即便如此，這些微小的波也會在宇宙微波背景波的偏振過程中留下印記，形成一種被稱為B模式的渦流模式。
英國卡迪夫大學的埃爾米尼婭·卡拉布雷斯（Erminia Calabrese）說：“這個信號的幅度在不同的膨脹模型之間可能會有所不同。因此，衡量這一特徵不僅將成為膨脹的明確證據，還將告訴我們它是如何發生的。”
問題是，原始引力波在扭曲這一遠古光時留下的任何信號，都將極其難以辨認出來。首先，它們是非常微妙的，遠遠小於普朗克所描繪的溫度波動。還有一個額外的複雜之處，那就是它們必須從宇宙中所有其他能扭曲光線的物質所創造的相似的外觀模式中被梳理出來。
沒有人比BICEP2望遠鏡的研究人員更瞭解這一點，BICEP2望遠鏡是位於南極的一組小型天文臺之一。2014年3月，他們宣佈在宇宙微波背景偏振中探測到了原始引力波的特徵。世界各地的報紙頭條報道了這一發現。但是更仔細的觀察表明，這個信號並不是由原始的漣漪引起的，而是一種更普通的東西引起的：充滿我們星系的塵埃。
在BICEP2望遠鏡觀察到的頻率範圍內，微觀顆粒傾向於與局部磁場對齊，這樣微波散射就能產生B模圖案。BICEP小組知道這一點，但嚴重低估了灰塵對他們信號的影響。
對所有參與的人來說，這次失誤是一次令人痛心的經歷。研究人員繼續回到了研究中，注意如何將信號與噪音分開。他們每年夏天都會回到南極去升級他們的儀器。哈佛大學(Harvard University)的約翰·科瓦克(John Kovac)，他領導了重新命名的BICEP / Keck陣列項目，他說：“這是我最喜歡的事情之一。我們建造了這些望遠鏡，我們仍然可以去那裡修補它們。這是一次真正的冒險。”
修修補補還是不夠的。自2014年以來，科瓦克和他的同事們極大地提高了望遠鏡的原始靈敏度。BICEP2的探測器有256個像素，但它的後繼者BICEP3擁有1280個像素，他們還增加了Keck陣列。南極望遠鏡的負責人約翰·卡爾斯特羅姆(John Carlstrom)說：“改進是巨大的，就敏感性而言，我認為沒有人與BICEP/Keck的人親近。”
同樣，Keck陣列允許團隊調整到不同的特定波長。這是有用的，因為普朗克最近表明，銀河系的某些波長的光比其他波長的光更具偏振性，而由原始引力波產生的偏振應該保持一致。科瓦茨說：“這這可能是最重要的一課，如果你看到一個不隨波長變化的信號，你就會發現一些東西。
進一步的推動來自南極望遠鏡，它研究的CMB的天空範圍比BICEP/Keck陣列更寬。這使得它成為繪製前景汙染的另一個來源的強大工具。事實證明，星系的引力使宇宙微波背景波變形，創造了一個令人難以置信的原始B模式的模擬。然而，在過去的兩年裡，卡爾斯特羅姆和他的團隊已經證明，他們可以測量這種扭曲，這意味著他們可以將其從圖片中刪除。
科瓦克說：“現在我們可以結合這些方法，我們有一個更強大的方法來分離信號和噪聲，我們可以比以往任何時候都更深入地挖掘。”事實上，他們已經開始了。最新的BICEP/Keck陣列設置於2016年開始收集數據，目前正在進行改進。問題是，如果CMB真的埋在那裡，它能否深入到足以揭露膨脹的信號呢？
每年夏天，科學家們都會飛來對南極望遠鏡BICEP2和Keck陣列進行微調
科瓦克謹慎是可以理解的。他說，任何探測都需要進行各種交叉檢查，首先是用其他望遠鏡觀察不同的天空區域看到相同的信號。同樣，很大程度上取決於信號的大小。科瓦克仔細考慮後的反應中仍隱藏著明顯的樂觀情緒。
這種樂觀的原因可能是B模式可能潛伏在狹小的窗口中。我們是否能夠檢測它們取決於它們的強度，我們可以通過測量CMB的統計特性(即張量與標量比率)來識別它們。2018年公佈的普朗克CMB地圖顯示，這一比例必須超過0.001。去年10月公佈的BICEP的最新測量結果表明，這一數值不能超過0.06。結果是，如果最受歡迎的膨脹模型是正確的，那麼原始引力波應該隱藏在兩者之間的某個地方，就是BICEP/Keck陣列開始探測的能量窗口。
科學家們已經在準備一種BICEP/Keck陣列什麼也看不見的場景，計劃下一代地面CMB望遠鏡的合作，它的總能量將是所有現有觀測臺總和的10倍。有些人甚至在設計太空望遠鏡。但所有這些計劃仍在籌劃之中。那麼，對於一個小團體來說，有一個巨大的機會來改變我們對宇宙的理解。希格斯玻色子是由數百名科學家組成的團隊發現的。另一方面，BICEP/Keck團隊可以用兩個望遠鏡和一個60多人的團隊做出類似的重大發現。
如果原始的B模式信號位於能量窗口的頂部，它很快就會被觀測到。科瓦克說：“如果信號出現在這個範圍的高端，事情就會變得更有趣。”
去年10月份發佈的測量結果是在2015年僅使用BICEP收集的。但到目前為止，天文臺的兩個部分已經收集了兩年的數據，但都沒有公佈。
“舉證責任是巨大的，”卡爾斯特羅姆說。“我們知道信號埋得很深。但我們必須做這個測量。我們有機會看到時間的曙光。”
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