原初引力波直接证据不成立

王晋岚

2014年3月，位于南极洲的BICEP2（Background Imaging of Cosmic Extra-galactic Polarization）研究团队宣称，通过对宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，CMB）极化现象的观测与分析，首次得到了原初引力波的直接证据。这一证据能够用来证明暴胀宇宙理论。然而，2015年1月，欧洲空间局（European Space Agency，ESA）发布公告称，无证据支持原初引力波的發现。

宇宙起源于138亿年前的大爆炸，从最初极小尺度、极高温度、极大密度的状态演化成如今的状态——具有恒星、行星以及星系等丰富而复杂的结构。关于宇宙早期历史的信息蕴含在CMB之中。根据暴胀宇宙理论。在大爆炸发生的最初极短时间（10^-32秒）内，宇宙经历了指数式急剧增长，称之为暴胀。暴胀期的剧烈延伸会引起空间和时间的波动，即原初引力波。在CMB的极化图上，会留有原初引力波的印记。加州大学伯克利分校的塞尔亚克（U.Seljak）通过仔细分析，发现极化存在着两种形态：具有梯度的极化模式——E模极化和具有旋度的极化模式——B模极化。暴胀子涨落只造成CMB的E模极化，而引力波既会造成E模极化也会造成B模极化，塞尔亚克因此建议用这两类极化模式去探测原初引力波。

BICEP2正是通过CMB的B模极化来寻找原初引力波证据的。为了排除大气中水分子对观测的影响。观测地点选在了南极；为了消除引力透镜的贡献，所选定的空间角尺度为5度。然而，漩涡状的B模极化同样可以有其他来源。尤其是银河系中的辐射尘埃。2014年5月。美国卡内基-梅隆大学的弗劳格（R.Flauger）便提出了质疑，他重新检查了BICEP2研究小组曾使用的尘埃偏振图谱，并推断BICEP2研究人员或许低估了尘埃引起的偏振。

为了从CMB中得到正确信息，首先必须除去各种干扰，研究人员通常通过在多个微波频率采集数据来实现这一点。遗憾的是，为了将灵敏度最大化，BICEP2只在一个频率采集了数据。而且，BICEP2团队依靠在一次演讲中从幻灯片上摘取的、来自普朗克卫星的原始数据预估前景污染。2014年5月。其他宇宙学家提出，BICEP2研究人员可能错误地诠释了普朗克卫星的数据，并且低估了尘埃的干扰。2014年9月，普朗克卫星公布的最终数据表明，BICEP2观察的那片天空布满了辐射尘埃。通过对普朗克卫星、BICEP2以及BICEP2在南极的“接班人”Keck Array的数据分析，ESA发布公告：BICEP2发现的信号即便不是全部，也在很大程度上源于本身能释放微波的银河系尘埃，无法证实信号源自原初引力波。