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今年物理學界最大的新聞——實際上,是這十年最大的新聞——是三月份的發現,看起來像是來自大爆炸後不久的引力波。公告發布後不久,批評者認為,該訊號可能實際上是由我們星系中受汙染的塵埃引起的,物理學家一直在等待進一步的資料來幫助解決這場辯論。現在,普朗克衛星新發布的塵埃測量結果似乎讓引力波信徒感到沮喪。
最初的發現來自南極的BICEP2實驗,測量了所謂的B模式偏振——宇宙微波背景(CMB)輻射中光波方向的捲曲模式。這種輻射遍佈整個空間,可以追溯到宇宙誕生後僅38萬年。B模式偏振可能是由大爆炸後不久的引力波或時空漣漪引起的,這將拉伸和壓縮空間,從而改變CMB的光波。然而,這種偏振也可能是由光在我們自己星系中的塵埃上散射引起的——這是一種更為平凡的解釋。
BICEP2使用高度靈敏的儀器檢查了天空的一小部分割槽域。其測量的B模式訊號非常大,研究人員最初得出結論,塵埃不可能對此負責。然而,事實證明,他們可能低估了他們觀察到的天空區域中塵埃的含量。
普朗克衛星從2009年到2013年收集資料,觀測了整個天空的CMB,儘管靈敏度較低。普朗克團隊的一項新研究分析了來自塵埃的偏振光在所有方向上的含量,發現它比BICEP2團隊假設的要普遍得多。“我們表明,即使在最微弱的塵埃發射區域,也沒有‘乾淨的’視窗可以在不減去塵埃發射的情況下測量原始CMB B模式偏振,”普朗克科學家在釋出在預印本網站arXiv上的論文中寫道。事實上,普朗克的資料表明,塵埃的影響可能完全解釋BICEP2測量的偏振,而沒有任何訊號是由引力波引起的。自從最初宣佈以來,BICEP2團隊“在宇宙學解釋方面退後了一步”,該實驗的共同負責人、斯坦福大學物理學家郭兆林說。“另一方面,這篇論文並沒有排除引力波的重大貢獻。”
儘管如此,這個訊息還是讓許多物理學家感到沮喪。暴脹理論預測了這種波的存在,該理論假設宇宙在其早期經歷了爆炸性膨脹。對原始引力波的測量將為暴脹提供確鑿的證據。此外,正如亞利桑那州立大學坦佩分校的宇宙學家勞倫斯·克勞斯在十月刊《大眾科學》中寫道,“這將使我們能夠檢驗關於宇宙如何產生的想法,而迄今為止科學家們只能對此進行推測。”
最新普朗克論文的作者強調,他們的分析並未排除引力波。他們說,需要進一步研究才能知道塵埃是否是BICEP2訊號背後的原因,並且該團隊計劃與BICEP2科學家合作以瞭解更多資訊。“這並非完全是決定性的——但它非常有力,”加州理工學院的物理學家肖恩·卡羅爾在他的部落格中寫道。“BICEP2確實觀察到了他們所說的訊號;但目前明智的看法是,該訊號並非來自早期宇宙。” 要想確定,可能需要更多的實驗資料。“從長遠來看,我們需要等待BICEP2水平的靈敏度在多個頻率下進行測量,到那時,將很容易區分塵埃和原始物質,”蘇塞克斯大學的物理學家肖恩·霍奇基斯在他的部落格文章中寫道。
許多關於宇宙誕生的基本問題將取決於這個問題的結果。關於如何最好地宣佈重大科學發現的辯論也將受到影響。BICEP2科學家在未經嚴格同行評審的情況下,透過激動人心的新聞釋出會分享了他們的發現。蘇塞克斯大學物理學家彼得·科爾斯認為,這個決定可能適得其反。“我認為公眾需要更多地瞭解科學作為一個過程是如何運作的,通常是非常混亂的,”他在他的部落格中寫道,“但這種混亂應該在多大程度上公開?”