原初引力波直接證據(jù)不成立

王晉嵐

2014年3月，位于南極洲的BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extra-galactic Polarization）研究團(tuán)隊宣稱，通過對宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，CMB）極化現(xiàn)象的觀測與分析，首次得到了原初引力波的直接證據(jù)。這一證據(jù)能夠用來證明暴脹宇宙理論。然而，2015年1月，歐洲空間局（European Space Agency，ESA）發(fā)布公告稱，無證據(jù)支持原初引力波的發(fā)現(xiàn)。

宇宙起源于138億年前的大爆炸，從最初極小尺度、極高溫度、極大密度的狀態(tài)演化成如今的狀態(tài)——具有恒星、行星以及星系等豐富而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。關(guān)于宇宙早期歷史的信息蘊(yùn)含在CMB之中。根據(jù)暴脹宇宙理論。在大爆炸發(fā)生的最初極短時間（10^-32秒）內(nèi)，宇宙經(jīng)歷了指數(shù)式急劇增長，稱之為暴脹。暴脹期的劇烈延伸會引起空間和時間的波動，即原初引力波。在CMB的極化圖上，會留有原初引力波的印記。加州大學(xué)伯克利分校的塞爾亞克（U.Seljak）通過仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)極化存在著兩種形態(tài)：具有梯度的極化模式——E模極化和具有旋度的極化模式——B模極化。暴脹子漲落只造成CMB的E模極化，而引力波既會造成E模極化也會造成B模極化，塞爾亞克因此建議用這兩類極化模式去探測原初引力波。

BICEP2正是通過CMB的B模極化來尋找原初引力波證據(jù)的。為了排除大氣中水分子對觀測的影響。觀測地點選在了南極；為了消除引力透鏡的貢獻(xiàn)，所選定的空間角尺度為5度。然而，漩渦狀的B模極化同樣可以有其他來源。尤其是銀河系中的輻射塵埃。2014年5月。美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的弗勞格（R.Flauger）便提出了質(zhì)疑，他重新檢查了BICEP2研究小組曾使用的塵埃偏振圖譜，并推斷BICEP2研究人員或許低估了塵埃引起的偏振。

為了從CMB中得到正確信息，首先必須除去各種干擾，研究人員通常通過在多個微波頻率采集數(shù)據(jù)來實現(xiàn)這一點。遺憾的是，為了將靈敏度最大化，BICEP2只在一個頻率采集了數(shù)據(jù)。而且，BICEP2團(tuán)隊依靠在一次演講中從幻燈片上摘取的、來自普朗克衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)預(yù)估前景污染。2014年5月。其他宇宙學(xué)家提出，BICEP2研究人員可能錯誤地詮釋了普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，并且低估了塵埃的干擾。2014年9月，普朗克衛(wèi)星公布的最終數(shù)據(jù)表明，BICEP2觀察的那片天空布滿了輻射塵埃。通過對普朗克衛(wèi)星、BICEP2以及BICEP2在南極的“接班人”Keck Array的數(shù)據(jù)分析，ESA發(fā)布公告：BICEP2發(fā)現(xiàn)的信號即便不是全部，也在很大程度上源于本身能釋放微波的銀河系塵埃，無法證實信號源自原初引力波。