作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014-6-4 8:04:49
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两项研究认为“没有证据支持或反对引力波”
今春“诺奖级发现”或为空欢喜一场

图片来源:普朗克合作(ESLAB2013)

没有证据表明发现了引力波。但是,目前尚无法得出最后结论,直到更精确的尘埃图谱发布。

近日,两项新研究揭示,今年春天公布已有原始引力波证据的天文学家有些操之过急,因为他们未能适当解释银河尘埃的混合作用。尽管进一步的观察结果可能发现摆脱噪声的信号,但目前独立专家小组表示,他们不再认为原始数据能构成重大证据。

诺奖级的发现

3月17日,美国哈佛-史密森天体物理中心天文学家John Kovac宣布,他们首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。研究人员表示,他们使用位于南极的BICEP2射电望远镜,发现了大爆炸余辉——宇宙微波背景辐射(CMB)偏振的一个模糊的缠绕模式。天文学家认为,这一模式是原始引力波的证据。

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“回声”,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”。

而微波背景辐射则是一种均匀散落在宇宙空间中的微弱电磁波,它如同埋藏在宇宙深处的“化石”,记录着早期宇宙的许多信息。微波背景辐射中的微波因为被原子和电子散射而具有偏振性,而此项研究寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式,其特点是会形成旋涡,是宇宙极早期的一种时空波动,即原初引力波留下的独特印记。

通过观测,研究人员发现了比“预想的强烈得多”的B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源,确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。这意味着宇宙暴涨理论获得迄今最有力的证据,并将帮助人们更详细地了解暴涨的过程。

当时,这一发现引起了轰动,因为它似乎能够证实宇宙膨胀理论。这将帮助解答宇宙诞生之谜,被认为是诺贝尔奖级别的重大成果。“一个伟大的春季大扫除开始了,几乎所有的东西都被排除了。”麻省理工学院宇宙学家Max Tegmark说,“它不仅动摇了实验领域,还动摇了理论世界。”

另外,亚利桑那州立大学理论物理学家Lawrence Krauss也在接受记者采访时表示,虽然这项成果还需要得到进一步验证,但“无论怎样,都令人激动”,如被证实,将“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”。

但是,近日,两个独立研究小组的分析指明,CMB偏振中的这些偏振信号可能仅仅是银河系中的尘埃导致的。

尘埃作用

“据现在所知,我们并没有证据支持或反对引力波。”其中一个新研究的合作者、加州大学伯克利分校天体物理学家Uros Seljak说。

但BICEP2研究的负责人之一、帕萨迪纳市加州理工学院物理学家James Bock表示,尽管其研究小组的主要论文“基于诸多评论进行了修改,并重新提交”出版,但引力波的证据“并没有被撤回”。

Bock称,BICEP2望远镜的观测结果“基本上是未改变的”。

纽约大学理论物理学家Raphael Flauger日前公布了其研究结果,批评声音便接踵而至。Flauger重新检查了BICEP2研究小组曾使用的尘埃偏振图谱,并推断哈佛-史密森天体物理中心研究人员或许低估了图中尘埃引起的偏振部分。该图由欧洲空间局普朗克卫星在2009年至2013年间收集的数据汇编而成。

Flauger表示,当尘埃被充分解释后,能被归于引力波的信号,或者消失不见,或者被大大削弱。

“我曾认为这一结论是非常稳妥的。”麻省理工学院宇宙学家Alan Guth说,他于1980年首次提出了宇宙膨胀理论。在了解了Flauger的研究后,Guth表示,“现在情况发生了变化”。

实际上,相关图谱只包括了BICEP2研究小组用于检测其结论中尘埃作用的6个模型中的1个。

但在5月28日张贴在arXiv预印本服务器上的研究论文中,Flauger及其合作者、普林斯顿大学的David Spergel和Colin Hill,对其余模型表示怀疑。他们提到,所有这些模型都基于对银河系尘埃引起的总体偏振部分的较低估计值——约为3.5%~5%。

Spergel表示,在BICEP2研究小组分析工作之后发布的更多详细普朗克图谱的新信息揭示,这部分数值接近8%~15%。他也承认,这个更高的百分比是一种推断,因为最新的普朗克图谱排除了天空的南极区域,而BICEP2团队检查了这一区域。Spergel称,3.5%和8%之间的差异可能看似很小,但它却十分有意义,因为BICEP2望远镜探测到的信号取决于偏振部分的平方。

利用这些更新的数字,“没有证据表明发现了引力波。”Spergel宣称,“这与尘埃一致。”但是,目前尚无法得出最后结论,直到更精确的尘埃图谱发布,他补充道,普朗克团队计划于10月发布相关图谱。

“尘埃可能导致了BICEP2望远镜观测到的全部或大部分信号。”未参与该研究的普林斯顿大学宇宙学家Paul Steinhardt说。

Bock在接受采访时表示,在出版时,他并没有时间阅读Flauger、Spergel和Hill的论文,作者只在发表前几个小时将论文发给了他和BICEP2团队其他成员。

保守重测

在第二个分析中,Seljak及其同事Michael Mortonson采取更保守的方式检查了BICEP2团队的结果。由于南极天空尘埃导致的偏振数量无法测量,Seljak和Mortonson将他们的分析限定在一个已知数量上——天空中不同空间尺度里的尘埃发射的微波强度。在假定了尘埃变化的强度在整个天空中(包括南极区域)按照同样方式进行后,研究人员没有发现明显证据支持BICEP2望远镜观测到的引力波信号。

Seljak和Mortonson还重新检查了BICEP2望远镜观测到的信号强度如何随着微波的频率而变化的相关数据。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,这个以150千兆赫记录的信号强度与来自尘埃的预计强度模式并不匹配。这一结果似乎支持引力波与尘埃具有11:1的差度。

但Seljak和Mortonson表示,BICEP2研究小组在频率分析中并没有排除小空间尺度的数据。Seljak表示,这是一个问题,因为在小空间尺度上,重力透镜作用恰好能够模仿引力波在更大的空间尺度上印刻下的偏振模式。

对于透镜信号,“原始引力波信号优先于尘埃的几率小于2:1,换句话说,这根本是不重要几率。”Seljak说。

不过,BICEP2研究小组并没有对Seljak和Mortonson的论文进行任何回应。

Seljak表示,BICEP2团队建造的Keck Array南极望远镜预计很快能得到新数据,这将是BICEP2信号真实性的试金石。

Bock表示,他和同事正热切地等待着今年秋天即将发布的普朗克图谱,并且手头已经有了Keck Array望远镜收集到的更好的95千兆赫和150千兆赫的数据。

过去十多年中,有多个研究项目在探测原初引力波,包括普朗克卫星、POLARBEAR地面实验,及位于南极的另一个“南极望远镜”实验等,其中普朗克卫星是欧洲空间局于2009年5月发射、造价约7亿欧元的全天域微波背景辐射观测望远镜。

之前,有媒体称,哈佛-史密森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块缺失的拼图,让现代物理学的根基更加坚实,也会鼓舞引力波研究人员的士气,促进有关国家进一步加大投入。(张章)

《中国科学报》 (2014-06-04 第3版 国际)
 

 

 
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