科学家宣布原初引力波发现有误 曾是大爆炸理论确凿证据

图中的纹理表示了星系磁场的方向，基于星尘发出的偏振光方向测出

原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的，它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动，随着宇宙的演化而被削弱。科学家说，原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”，将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期，即所谓“暴涨”。然而，广义相对论提出近百年来，源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都被一一被证实，而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱，技术上很难测量，因此也有人将之戏称为“世纪悬案”、“宇宙中最大的徒劳无益之事”。

2014年3月18日，美国物理学家曾宣布首次观测到宇宙原初引力波存在的证据。美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜，观测宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的，计算表明，原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号，但在经过近一年的数据核实后发现，这次的“发现”是个失误，发现的B模式偏振并不是由原初引力波引起的，而是银河系星际尘埃的干扰。

经过普朗克太空任务和地面试验BICEP2数据联合分析，并没有发现宇宙诞生引力波的确凿证据，尽管早些时候报道称疑似检测到了。

在加州帕萨迪纳NASA喷气推进实验室普朗克美国项目工作的科学家查尔斯·劳伦斯表示：“通过分析两组数据，我们能更好的看到事情的真相。经过联合分析，我们发现BICEP2/Keck检测到的信号其实是来自银河中的尘埃，不过我们也不排除这里面可能存在低水平下原初引力波信号。我认为这仍然是科学进展一步一个脚印的好例子。”

普朗克和BICEP2/Keck都是设计用于测量138亿年前宇宙诞生后不久释放的遗留辐射。宇宙历史信息的特别来源就存在于这化石般的辐射中，这个特别来源称为宇宙微波背景（CMB）。普朗克绘制了整个太空的CMB，而BICEP2/Keck重点研究南极圈上空一小片天空。

位于南极的观测点

2014年3月，天文学家从BICEP2/Keck的实验中展示了有趣的数据，发现了一个可能从宇宙刚诞生时就有的信号。如果该信号果真来自宇宙诞生初期，那么就可证明古代引力波的存在。科学家们假设这些波产生于宇宙爆炸和快速增长期，当时宇宙只存在了一秒钟，只是一个小碎片大小。

BICEP/Keck实验发现称为B模式的极化光“卷曲”图案存在的证据。随着引力波轻微挤压和拉伸空间构造，这些图案会印在CMB光上。光的极化是其特性之一。通常，光的电磁场在各个方向振动都相同，但是当振动倾向于特定方向时，光就被极化了。

帕萨迪纳市加州理工学院的Jamie Bock，同时也是喷气推进实验室、BICEP2/Keck以及普朗克团队的成员。他说：“BICEP2报道的涡旋极化图案也在Keck Array的最新数据中发现了。”

欧洲太空总署普朗克项目科学家Jan Tauber说：“搜索早期宇宙的这种独特记录非常困难，同时也让人兴奋不已，因为这种微弱的信号隐藏在CMB极化中，而CMB极化只占光总量的很少一部分。”

之前发现的B模式特征

识别原始的B模式偏振光最困难的地方在于将它们与距离我们更近的银河系星际尘埃产生的类似物区分开来。银河系充满了以CMB相同频率闪烁的气体和尘埃，这些都影响观察早期的宇宙光。需要非常仔细的数据分析才能辨别。

BICEP2/Keck哈佛大学协作共同调查员约翰·科瓦奇说：“我们在数据中第一次检测到该信号时，依靠的是当时可用的银河尘埃辐射模型。这说明我们观察的那片天空区域尘埃相对较少。”

BICEP2/Keck实验收集单一微波频率的数据，这让区分来自银河尘埃和CMB的光辐射变得困难。另一方面，普朗克以9个微波和亚毫米频率频道观察天空，其中7个还装备有极化探测器。这些频率中的部分用于测量银河系中的尘埃。经过仔细分析，这些多频率数据可以用于区分光辐射的不同来源。

普朗克和BICEP2/Keck团队联手，结合空间卫星的处理能力和地面试验针对有限天空区域的灵敏性。

Bock说：“设备的噪音限制了我们搜索信号的深度。BICEP2/Keck在一个波长内探测天空。为了知道多少信号来自于银河，我们使用普朗克在多个微长的测量。结合BICEP2/Keck和普朗克的探测数据，我们能得到目前为止最好的数据。”

最后结果表明，大多数原始的BICEP2/KeckB-mode信号可以解释为银河系尘埃。至于宇宙膨胀阶段的信号仍没有很大发现。

普朗克/BICEP/Keck联合研究为来自宇宙膨胀时期的引力波数量设定了上限，这部分引力波可能生成于宇宙膨胀时期，但是就目前的分析尚不能证实。

同为普朗克和BICEP2成员的Brendan Crill表示：“关于引力波的信号新上限与我们早些时候利用普朗克CMB的温度波动获得的上限一致。引力波信号仍仍然可能存在，研究绝对会继续下去。”

原初引力波：填补验证广义相对论最后一块拼图

直到广义相对论发表近百年后的今天，神秘的引力波依然未向人们一展真面目，但在此之前人们已经间接观测到它的存在。1974年，美国物理学家乔瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯首次发现一个双星系统。在这个系统中，两颗中子星亲密环绕并变得越来越接近，这意味着两颗星正在损失能量。由于其轨道变化与相对论的预测完全吻合，两名科学家认为能量正在以引力波的形式释放，这一发现让他们获得了1993年的诺贝尔奖。

宇宙微波背景辐射是一种弥漫在整个宇宙空间中的微弱电磁波信号。过去几十年间，科学家通过观测微波背景辐射来寻找“大爆炸”的痕迹，但一直没有测量到引力波的独特印记——B模式偏振。

在天体物理学家看来，此次观测到的事实一旦被确认，将成为暴涨理论的首个直接观测证据。中科院理论物理所研究员黄庆国曾表示：“引力波的发现有可能帮助我们了解宇宙大爆炸后38万年内的宇宙物理规律，并开辟一个全新的研究领域——引力波宇宙学。”。