有关原初引力波的实验发现

本刊资料室

2014 年3月17 日，美国BICEP2合作组在哈佛大学史密森天体物理中心召开新闻发布会，宣布通过宇宙微波背景辐射的极化实验首次探测到了原初引力波的信号（图1）．这个实验探测结论还有待验证，若被证实，则是一项重大发现，将对整个物理学产生深远的影响．

图1 美国BICEP2合作组通过架设在南极的天文望远镜BICEP2发现了早期宇宙产生的原初引力波的“独特印记”

1 什么是引力波

在狭义相对论建立的基础上，1915 年，爱因斯坦建立了广义相对论并导出了引力场方程

式中Rμν和R分别为描述时空特性的参数，gμν是时空基本度规张量，Tμν是物质张量，k是比例系数．根据对引力场方程的研究，1918 年，爱因斯坦从理论上预言了引力波的存在．

按电磁学理论，带电物质做加速运动时，电磁场就会振荡并发出电磁波．所以，电磁波就是传播着的电磁场．

相类似，有质量的物质做加速运动时，引力场就会振荡并发出引力波．所以，引力波就是传播着的引力场．

2 引力波的性质

（1）引力波是横波，在远源处为平面波，有两个独立的偏振态．

（2）引力波携带能量，在真空中以光速传播．

（3）在一般情况下，引力作用比电磁作用弱很多，例如，一对正、负电子，在同等距离的情况下，引力与静电力之比为

因此，一般质量的物质做加速运动时所产生的引力波非常非常非常弱，只有宇宙中大质量天体的加速运动，才能产生较强的引力波．但是，它们传播到地球时则非常非常弱，例如，引力辐射最强的双星系狮子座UV到达地球表面的能流只有3．5×10－12尔格／（厘米2·秒），再加上物质对引力波吸收效率极低，所以，直接探测引力波极为困难．曾有人宣称在实验室里探测到了引力波但未得到公认．过去的情况是，天文学家只能通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在 ．

（4）引力波的穿透性极强，可开发成为远距离传递信息而衰减很小的技术．

3 什么是原初引力波

关于宇宙的起源，有不同的学说，最著名的是宇宙大爆炸理论．该理论认为，约在137 亿年前，宇宙发生了原始爆炸（温度达1032K）并不断膨胀；原始爆炸后10－6s（温度降为1013K），物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在，各种粒子相互碰撞、相互转化处于平衡之中；原始爆炸后20 min（温度降到108K）氦核形成；原始爆炸后2×105年（温度降到4×103K）元素开始复合；随着温度降低、体积膨胀，逐步形成原子、分子，并复合成为通常的气体．气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们现在所看到的宇宙．宇宙大爆炸理论解释了多数宇宙现象（3K微波背景辐射、天体的年龄、氦的丰度等），因而基本得到公认．

但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合．因此，1980 年，麻省理工学院科学家阿兰·古斯等人提出“宇宙暴涨理论”，认为宇宙在大爆炸之后的短暂时期（10－35s左右）曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段，称为暴涨．在暴涨阶段，物质有强烈、快速的变化，会发出非常强的引力波．在暴涨阶段发出的引力波称为原初引力波．因此，如果科学家能探测到原初引力波，那么，就意味着对宇宙的起源、形成、发展有更清楚、更深刻的认识．

4 原初引力波的实验发现

根据宇宙暴涨理论，宇宙早期曾经历过一次大规模的快速膨胀．若确实发生过，就会在宇宙中遗留下在大爆炸之后38 万年时的特征性光辐射，即宇宙微波背景辐射（cosmicmicrowavebackground，CMB），原初引力波的B模偏振信号则会叠加在宇宙微波背景辐射之中．为了探测到宇宙暴涨留下的痕迹（B模偏振信号），需要一台可以辨别温度微小变化的望远镜，精密度要求到1℃的百万分之一．哈佛大学的约翰·科瓦克博士等，2006 年开始探测原初引力波的实验研究，BICEP1项目于2006 ～2008 年在南极进行，后继实验BICEP2采用了新的探测器技术，于2010 年开始搜集数据，直到2012 年．在探测中，他们得到一张叠加在宇宙微波背景辐射之中的偏振图（图2），它的样子像是在磁场中洒在一个平面上的铁粉，拥有一种独特的，略呈涡旋状，或卷曲状的形态，它就是B模式偏振，是原初引力波留下的“独特印记”．BICEP1与BICEP2是两种完全不同的仪器，采用完全不同的技术，但却检测到同样的信号，经过3年多的缜密分析，排除了其他可能的来源，确认B模式偏振是原初引力波导致的结果．

图2 分析得出的原初引力波“独特印记”——B模式偏振

5 结论有待进一步验证

BICEP2合作组宣布的已发现原初引力波的“独特印记”，是经过3年多缜密分析得出的结论．但还有些疑问有待澄清，例如，尚未排除观察到的B型偏振模式的所有可能的非暴涨源的可能性，为什么在BICEP2的数据中观察到的B模偏振性要比欧洲的普朗克空间望远镜得到的结果高出几乎两倍……由于事件的复杂性，已发现原初引力波的结论有待进一步验证．期待着其他原初引力波研究小组的观察结果．