两项研究认为“没有证据支持或反对引力波”

资料来源:普朗克合作(ESLAB2013)

没有证据表明引力波已经被发现。然而，在更精确的尘埃图发布之前，不可能得出最终结论。

最近，两项新的研究表明，今年春天宣布原始引力波证据的天文学家过于仓促，因为他们未能正确解释银河尘埃的混合。尽管进一步的观察可能揭示出没有噪音的信号，但独立专家小组目前表示，他们不再相信原始数据能构成重要证据。

诺贝尔奖的发现

3月17日，哈佛-史密森天体物理中心的天文学家约翰·科瓦奇宣布，他们首次发现了宇宙中存在初级引力波的直接证据。研究人员称，他们使用南极的BICEP2射电望远镜发现了宇宙大爆炸的余辉，这是宇宙微波背景辐射(CMB)偏振的一种模糊缠绕模式。天文学家认为这种模式是原始引力波的证据。

最初的引力波是由爱因斯坦在1916年发表的广义相对论中提出的。它是宇宙开始时产生的时空波动，随着宇宙的演化而减弱。科学家说，原始引力波，像创世纪大爆炸的“回声”，将帮助人们追溯到宇宙开始时的一个极短的快速膨胀时期，即所谓的“激增”。

微波背景辐射是一种在宇宙空间中均匀散射的弱电磁波。它就像深埋在宇宙深处的“化石”，记录了早期宇宙的大量信息。微波背景辐射中的微波被极化，因为它们被原子和电子散射。这项研究正在寻找一种被称为B模式的特殊偏振模式，其特征是涡旋的形成，是非常早期宇宙中的时空波动，即原始引力波留下的独特标记。

通过观察，研究人员发现了一种“比预期强得多”的B模式偏振信号。经过三年多的分析，他们排除了其他可能的来源，并确认这是由繁荣时期穿越宇宙的原始引力波造成的。这意味着宇宙暴涨的理论已经获得了迄今为止最有力的证据，并将帮助人们更详细地理解暴涨的过程。

当时，这个发现引起了轰动，因为它似乎能够证实宇宙膨胀的理论。这将有助于解开宇宙诞生的谜团，被认为是诺贝尔奖的一大成就。"一场大规模的春季大扫除已经开始，几乎所有的东西都被清除了."麻省理工学院的宇宙学家马克斯·特马克说，“它不仅震撼了实验领域，也震撼了理论世界。”

此外，亚利桑那州立大学的理论物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)在接受记者采访时表示，尽管这一成就仍需进一步验证，但“无论如何都令人兴奋”，如果得到证实，将“成为过去25年中最重要的宇宙学发现之一”。

然而，两个独立研究小组最近的分析表明，这些中巴偏振信号可能仅仅是由银河系中的尘埃引起的。

灰尘作用

"据我们所知，我们没有证据支持或反对引力波."加州大学伯克利分校的天体物理学家、新的研究合作者之一乌罗斯·塞尔亚克说。

然而，帕萨迪纳加州理工学院的物理学家、BICEP2研究的领导者之一詹姆斯·博克(James Bock)表示，尽管他的研究团队的主要论文“根据许多评论进行了修订，并重新提交”出版，但引力波的证据“并未撤回”。

博克说BICEP2望远镜的观测结果“基本没有变化”。

纽约大学的理论物理学家拉斐尔·弗洛伊格(Raphael Flauger)最近公布了他的研究结果，随之而来的是批评。弗洛伊格重新检查了BICEP2研究小组使用的尘埃偏振图，并得出结论，哈佛-史密森尼天体物理学中心的研究人员可能低估了该图中尘埃诱导的偏振。该地图是根据欧洲航天局普朗克卫星2009年至2013年收集的数据编制的。

弗洛伊格说，当尘埃被完全解释后，可归因于引力波的信号要么消失，要么被大大削弱。

"我认为这个结论非常安全。"麻省理工学院的宇宙学家阿兰·古斯说，他在1980年首次提出了宇宙膨胀理论。在了解了弗洛伊格的研究后，古思说，“现在情况已经变了。”

事实上，相关图仅包括BICEP2在其结论中用于检测尘埃效应的六个模型中的一个。

然而，在5月28日发布在arXiv预印服务器上的一篇研究论文中，弗洛伊格和他的合作者，普林斯顿大学的大卫·斯珀格尔和科林·希尔，对剩下的模型表示怀疑。他们提到，所有这些模型都是基于对银河系中尘埃引起的总极化的较低估计——大约3.5%~5%。

斯珀格尔说，在BICEP2研究小组分析后发布的更详细的普朗克图的新信息显示，这些值接近8%~15%。他也承认这个更高的百分比是一个推论，因为最新的普朗克地图排除了南极地区的天空，这是BICEP2小组研究的。斯珀格尔说，3.5%和8%之间的差异可能看起来很小，但这很重要，因为BICEP2望远镜探测到的信号取决于偏振部分的平方。

使用这些更新的数据，“没有证据表明已经发现了引力波。”斯珀格尔宣称，“这与尘埃一致。”然而，在更精确的尘埃图发布之前，不可能得出最终结论，他补充说，普朗克小组计划在10月发布相关的地图。

"尘埃可能导致了BICEP2望远镜观察到的全部或大部分信号."普林斯顿大学的宇宙学家保罗·斯坦哈特没有参与这项研究，他说。

博克在一次采访中说，他在出版时没有时间阅读弗洛伊格、斯珀格尔和希尔的论文。提交人仅在论文发表前几小时将论文分发给他和BICEP2小组的其他成员。

保守复试

在第二个分析中，塞尔亚克和他的同事迈克尔·莫特森以一种更保守的方式检查了BICEP2团队的结果。由于南极天空中尘埃造成的偏振数无法测量，塞尔亚克和莫特森将他们的分析限制在一个已知的数上——天空中不同空间尺度的尘埃发出的微波强度。在假设尘埃的强度变化在整个天空(包括南极地区)以同样的方式进行之后，研究人员没有发现明显的证据来支持用BICEP2望远镜观察到的引力波信号。

Seljak和Mortonson还重新检查了BICEP2望远镜观测到的信号强度如何随微波频率变化的数据。BICEP2研究小组认为，与上一代望远镜BICEP1以100千兆赫记录的数据相比，以150千兆赫记录的信号强度与尘埃的预期强度模式不符。这个结果似乎支持了引力波和尘埃之间11: 1的差异。

然而，塞尔亚克和莫特森说，BICEP2研究小组在频率分析中没有排除小空间尺度的数据。塞尔亚克说，这是一个问题，因为在一个小的空间尺度上，重力透镜的效果可以在更大的空间尺度上精确地模仿引力波印刷的偏振图案。

对于透镜信号，“原始引力波信号优先于尘埃的概率小于2: 1，换句话说，这不是一个重要的概率。”塞尔亚克说。

然而，BICEP2研究小组没有对Seljak和Mortonson的论文做出回应。

塞尔亚克说，由BICEP2小组建造的凯克阵列南极望远镜预计将很快获得新的数据，这将是BICEP2信号真实性的试金石。

博克说，他和他的同事急切地等待普朗克地图集在今年秋天发布，他们已经有了更好的数据，凯克阵列望远镜收集了95千兆赫和150千兆赫的数据。

在过去十年左右的时间里，已经有许多探测初级引力波的研究项目，包括普朗克卫星、极地熊地面实验和在南极洲的另一个“南极望远镜”实验。普朗克卫星是欧洲航天局2009年5月发射的全天域微波背景辐射观测望远镜，耗资约7亿欧元。

此前，有媒体称，哈佛-史密森尼天体物理中心的新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一个缺失的谜团，使现代物理学的基础更加坚实，还鼓舞了引力波研究人员的士气，促使有关国家进一步加大投资。(张张)

《中国科学日报》(2014-06-04第三版国际版)

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