圖中的紋理表示了星系磁場的方向，基于星塵發(fā)出的偏振光方向測出

原初引力波是愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對論中提出的，它是宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時空波動，隨著宇宙的演化而被削弱?？茖W家說，原初引力波如同創(chuàng)世紀大爆炸的“余響”，將可以幫助人們追溯到宇宙創(chuàng)生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時期，即所謂“暴漲”。然而，廣義相對論提出近百年來，源于它的其他重要預言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應等都被一一被證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在于其信號極其微弱，技術上很難測量，因此也有人將之戲稱為“世紀懸案”、“宇宙中最大的徒勞無益之事”。

2014年3月18日，美國物理學家曾宣布首次觀測到宇宙原初引力波存在的證據(jù)。美國哈佛-史密森天體物理學中心等機構(gòu)物理學家利用架設在南極的BICEP2望遠鏡，觀測宇宙大爆炸的“余燼”——微波背景輻射。微波背景輻射是由彌漫在宇宙空間中的微波背景光子形成的，計算表明，原初引力波作用到微波背景光子，會產(chǎn)生一種叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動，都產(chǎn)生不了這種B模式偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的“獨特印記”。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。研究人員在這里發(fā)現(xiàn)了比“預想中強烈得多”的B模式偏振信號，但在經(jīng)過近一年的數(shù)據(jù)核實后發(fā)現(xiàn)，這次的“發(fā)現(xiàn)”是個失誤，發(fā)現(xiàn)的B模式偏振并不是由原初引力波引起的，而是銀河系星際塵埃的干擾。

經(jīng)過普朗克太空任務和地面試驗BICEP2數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，并沒有發(fā)現(xiàn)宇宙誕生引力波的確鑿證據(jù)，盡管早些時候報道稱疑似檢測到了。

在加州帕薩迪納NASA噴氣推進實驗室普朗克美國項目工作的科學家查爾斯·勞倫斯表示：“通過分析兩組數(shù)據(jù)，我們能更好的看到事情的真相。經(jīng)過聯(lián)合分析，我們發(fā)現(xiàn)BICEP2/Keck檢測到的信號其實是來自銀河中的塵埃，不過我們也不排除這里面可能存在低水平下原初引力波信號。我認為這仍然是科學進展一步一個腳印的好例子。”

普朗克和BICEP2/Keck都是設計用于測量138億年前宇宙誕生后不久釋放的遺留輻射。宇宙歷史信息的特別來源就存在于這化石般的輻射中，這個特別來源稱為宇宙微波背景（CMB）。普朗克繪制了整個太空的CMB，而BICEP2/Keck重點研究南極圈上空一小片天空。

位于南極的觀測點

2014年3月，天文學家從BICEP2/Keck的實驗中展示了有趣的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個可能從宇宙剛誕生時就有的信號。如果該信號果真來自宇宙誕生初期，那么就可證明古代引力波的存在。科學家們假設這些波產(chǎn)生于宇宙爆炸和快速增長期，當時宇宙只存在了一秒鐘，只是一個小碎片大小。

BICEP/Keck實驗發(fā)現(xiàn)稱為B模式的極化光“卷曲”圖案存在的證據(jù)。隨著引力波輕微擠壓和拉伸空間構(gòu)造，這些圖案會印在CMB光上。光的極化是其特性之一。通常，光的電磁場在各個方向振動都相同，但是當振動傾向于特定方向時，光就被極化了。

帕薩迪納市加州理工學院的Jamie Bock，同時也是噴氣推進實驗室、BICEP2/Keck以及普朗克團隊的成員。他說：“BICEP2報道的渦旋極化圖案也在Keck Array的最新數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了。”

歐洲太空總署普朗克項目科學家Jan Tauber說：“搜索早期宇宙的這種獨特記錄非常困難，同時也讓人興奮不已，因為這種微弱的信號隱藏在CMB極化中，而CMB極化只占光總量的很少一部分。”

之前發(fā)現(xiàn)的B模式特征

識別原始的B模式偏振光最困難的地方在于將它們與距離我們更近的銀河系星際塵埃產(chǎn)生的類似物區(qū)分開來。銀河系充滿了以CMB相同頻率閃爍的氣體和塵埃，這些都影響觀察早期的宇宙光。需要非常仔細的數(shù)據(jù)分析才能辨別。

BICEP2/Keck哈佛大學協(xié)作共同調(diào)查員約翰·科瓦奇說：“我們在數(shù)據(jù)中第一次檢測到該信號時，依靠的是當時可用的銀河塵埃輻射模型。這說明我們觀察的那片天空區(qū)域塵埃相對較少。”

BICEP2/Keck實驗收集單一微波頻率的數(shù)據(jù)，這讓區(qū)分來自銀河塵埃和CMB的光輻射變得困難。另一方面，普朗克以9個微波和亞毫米頻率頻道觀察天空，其中7個還裝備有極化探測器。這些頻率中的部分用于測量銀河系中的塵埃。經(jīng)過仔細分析，這些多頻率數(shù)據(jù)可以用于區(qū)分光輻射的不同來源。

普朗克和BICEP2/Keck團隊聯(lián)手，結(jié)合空間衛(wèi)星的處理能力和地面試驗針對有限天空區(qū)域的靈敏性。

Bock說：“設備的噪音限制了我們搜索信號的深度。BICEP2/Keck在一個波長內(nèi)探測天空。為了知道多少信號來自于銀河，我們使用普朗克在多個微長的測量。結(jié)合BICEP2/Keck和普朗克的探測數(shù)據(jù)，我們能得到目前為止最好的數(shù)據(jù)。”

最后結(jié)果表明，大多數(shù)原始的BICEP2/KeckB-mode信號可以解釋為銀河系塵埃。至于宇宙膨脹階段的信號仍沒有很大發(fā)現(xiàn)。

普朗克/BICEP/Keck聯(lián)合研究為來自宇宙膨脹時期的引力波數(shù)量設定了上限，這部分引力波可能生成于宇宙膨脹時期，但是就目前的分析尚不能證實。

同為普朗克和BICEP2成員的Brendan Crill表示：“關于引力波的信號新上限與我們早些時候利用普朗克CMB的溫度波動獲得的上限一致。引力波信號仍仍然可能存在，研究絕對會繼續(xù)下去。”

原初引力波：填補驗證廣義相對論最后一塊拼圖

直到廣義相對論發(fā)表近百年后的今天，神秘的引力波依然未向人們一展真面目，但在此之前人們已經(jīng)間接觀測到它的存在。1974年，美國物理學家喬瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯首次發(fā)現(xiàn)一個雙星系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，兩顆中子星親密環(huán)繞并變得越來越接近，這意味著兩顆星正在損失能量。由于其軌道變化與相對論的預測完全吻合，兩名科學家認為能量正在以引力波的形式釋放，這一發(fā)現(xiàn)讓他們獲得了1993年的諾貝爾獎。

宇宙微波背景輻射是一種彌漫在整個宇宙空間中的微弱電磁波信號。過去幾十年間，科學家通過觀測微波背景輻射來尋找“大爆炸”的痕跡，但一直沒有測量到引力波的獨特印記——B模式偏振。

在天體物理學家看來，此次觀測到的事實一旦被確認，將成為暴漲理論的首個直接觀測證據(jù)。中科院理論物理所研究員黃慶國曾表示：“引力波的發(fā)現(xiàn)有可能幫助我們了解宇宙大爆炸后38萬年內(nèi)的宇宙物理規(guī)律，并開辟一個全新的研究領域——引力波宇宙學。”。