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专家解读原初引力波重大发现
【人民日报】听到宇宙初创时的脉动
或为宇宙暴涨理论首个直接证据 有助于弄清宇宙诞生之谜
2014-03-20|文章来源:人民日报 吴月辉 |【
 

  北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,他们发现了原初引力波穿越婴儿宇宙留下的印记,这是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据。

  美国航空航天局(NASA)称,这是迄今为止,证明宇宙暴涨理论最有力的证据。这一重大发现一旦证实,将有望帮助弄清宇宙诞生之谜,被认为是诺贝尔奖级别的重大成果。

  这一实验的原理是什么?这一重大发现有何意义,它又会对理论物理研究产生哪些影响?我们国家在该领域的研究水平如何?本报记者就这些问题采访了相关专家。

    原初引力波留下的独特印记,传递宇宙极早期的物理信息 

  据介绍,美国哈佛史密森天体物理学中心等机构的研究人员利用位于南极的BICEP2望远镜,对宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射进行观测。宇宙微波背景辐射的光子因为与电子发射散射而具有偏振性,新研究寻找的是一种叫作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——原初引力波留下的独特印记。南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一,研究人员在这里意外发现了比“预想的强烈得多”的B模式偏振信号。

  研究人员经过3年多的分析,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。

  “探测到与原初引力波相关的B模式偏振信号,是对暴涨理论的重要检验。”北京大学物理学院教授范祖辉说。

  宇宙是如何形成的?这一问题一直备受关注。

  1932年,比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论,认为宇宙由大约140亿年前发生的大爆炸形成。但大爆炸理论并没有与所有天文观测结果相吻合。为解释疑点,半个世纪后,麻省理工学院科学家阿兰·古斯等人提出“宇宙暴涨理论”,认为宇宙大爆炸后的极短暂时期内,曾经历过一个急剧快速膨胀的阶段,这就是“暴涨”。

  “原初引力波会在微波背景辐射中留下痕迹,产生所谓的B模式偏振。”中科院高能物理研究所研究员夏俊卿说。

  “B模式偏振的特点是会形成旋涡,可以说是原初引力波留下的独特印记。这一信号就如同信使,能将宇宙极早期的物理信息传递给我们。因此,探测到微波辐射中与原初引力波相关的B模式偏振信号,无疑是对暴涨理论的重要检验。”范祖辉说。

  一直以来,测量宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙学研究领域最重要的研究方向。1989年,美国的COBE卫星最先发现了CMB的温度涨落各向异性,这一成果获得了2006年的诺贝尔奖;2002年,位于南极的DASI探测到了CMB的E模式极化信息。但是原初引力波的信号一直没有被观测到。

  在天体物理学家看来,此次观测到的结果一旦被确认,将成为暴涨理论的首个直接观测证据。

    是广义相对论的又一有力证据,宇宙学研究将进入新阶段 

  “原初引力波的发现,是广义相对论的又一有力证据。”中科院高能物理所研究员张新民说,“之前广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获得证实。唯有原初引力波因信号极其微弱,很难测量,而一直徘徊在天文学家‘视线’之外。”

  科学家普遍认为,这一发现打开了观测宇宙的一扇新窗户。

  从事引力波研究多年的美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯表示,引力波被测量到,意味着人们可以通过引力波而一直追溯到大爆炸之后仅仅10的负35方秒的极早时期,同时引力波也可以作为另一种观测宇宙的手段,引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。

  夏俊卿认为,宇宙学研究,特别是宇宙微波背景辐射领域的研究,也将进入新的阶段。“这一发现将极大鼓舞科学家的士气,并促进相关国家进一步加大科研经费和人力资源投入。”

  “探测原初引力波信号也会对宇宙早期的暴涨模型进行限制,因为理论上暴涨模型有很多种,新结果如果被确认是正确的,很多暴涨模型都会被排除。”范祖辉说。

  一些物理学家认为,这是一项诺贝尔奖级别的发现。劳伦斯·克劳斯在接受新华社记者采访时说,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”。

    数据结果仍待验证,我国相关领域研究还处于起步阶段 

  “对于一个重大发现,一定要小心谨慎。”张新民说。

  “这个发现也需要其他实验的证实。多年来,全球多个天文台都在寻找原初引力波,包括欧洲空间局普朗克卫星、智利北部的‘时空波动’望远镜。目前这方面很快能验证这个结果的是普朗克卫星,估计再有几个月他们也会公布类似的数据。”张新民说。

  夏俊卿正是普朗克探测器低频组的核心成员,他告诉记者,在这个新结果之前,普朗克卫星项目在去年公布了第一期的观测结果,结果显示与史密森天体物理中心的这个新结果有些不太一致。

  “普朗克项目预计在今年6月会公布第二期的观测结果,新结果中会包含和BICEP实验类似的信息,这对于确认实验结果很重要。”夏俊卿说。

  专家们普遍认为,探测到引力波后,科学家接下来将进一步更细致地研究引力波的性质以及由此带来的对宇宙的新认识。

  “我国在宇宙微波背景辐射领域的研究还处于起步阶段,但是也一直在做一些有特色的工作。比如我和夏俊卿研究员等人在2006年提出利用CMB的极化数据检验CPT对称性,这一工作已经被目前的CMB实验组所认可,他们都会在实验数据分析中用我们的方法。比如这次BICEP实验组就是基于我们的工作,提出了新的实验校准办法,提高了实验精度。”张新民说。

  据张新民介绍,中国科学家目前正在和法国等国家合作,在南极建造望远镜来测量CMB,高精度的测量极化B模式。

    原初引力波(延伸阅读) 

  现代宇宙学理论认为,宇宙大爆炸之后在很短的时间里经历了一次暴涨阶段,宇宙的尺度发生了剧烈膨胀,时空拉伸而产生了引力波。原初引力波的发现,是广义相对论的又一有力证据。

  (原载于《人民日报》 2014-03-20 12版)


 
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