探听宇宙大爆炸的“余响”

 

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仰望浩渺的星空,人们总是不由要问:宇宙从何而来?美国物理学家2014年宣布,首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。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。

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“余响”,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”。

然而,广义相对论提出近百年来,源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都被一一被证实,而引力波却始终未被直接探测到,问题就在于其信号极其微弱,技术上很难测量,因此也有人将之戏称为“世纪悬案”、“宇宙中最大的徒劳无益之事”。

探听宇宙大爆炸的“余响”

美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜,观测宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的,计算表明,原初引力波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的扰动,都产生不了这种B模式偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。

南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”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,确认它就是原初引力波导致的。研究共同作者、明尼苏达大学的克莱姆·普赖克说:“这就好像要在草堆里找一根针,结果我们找到了一根铁撬棍。”

对这项发现的意义,哈佛-史密森天体物理学中心的理论物理学家阿维·洛布说:“这项工作为一些最基本的问题提供了新见解:我们为什么会存在?宇宙是怎么诞生的?这些结果不仅是宇宙暴涨的确凿证据,它们也告诉我们暴涨是什么时候发生的,暴涨的威力又有多大。”

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航天局于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。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。

探听宇宙大爆炸的“余响”

美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·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”,有望获得诺贝尔奖。

值得一提的是,尽管直到广义相对论发表近百年后的今天,神秘的引力波才向人们一展真面目,但在此之前人们已经间接观测到它的存在。1974年,美国物理学家乔瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯首次发现一个双星系统。在这个系统中,两颗中子星亲密环绕并变得越来越接近,这意味着两颗星正在损失能量。由于其轨道变化与相对论的预测完全吻合,两名科学家认为能量正在以引力波的形式释放,这一发现让他们获得了1993年的诺贝尔奖。

 

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