南极探测：揭示太初引力波

就像电磁波有偏振的行为一样，引力波也有偏振。可是我们一般在宇宙学上讲的引力波所造成的E模态偏振和B模态偏振，并不是指单一引力波的偏振图案，而是以观测绘图上模拟电场线和磁场线的形状来取名的。我们实际上观测到的，还是宇宙背景辐射跟自由电子作用后的结果。电磁辐射的电场来回振荡，带动了电子在同方向振荡，然后辐射出那个方向的偏振光。这种交互作用就像是一种偏振的机制。而引力波经过时，因为空间被压缩或拉扯，造成空间变小或变大，导致光子密度改变，也就产生了温度高、低的落差。这种不同方向的温度落差被自由电子“看到”，因应作用后产生新的偏振光，在今日抵达地球时让我们观测到。将数据画成图后，即可见到B模态的偏振。可是这种偏振并不容易观测到，因为由引力透镜（gravitational lensing）在物质能量分布上所引起的E模态效应，要比B模态大许多。可是能量密度起伏并不会产生B模态的偏振，引力波才会。这帮助了我们区分数据，来判断是否有太初引力波存在。所以，即使B模态很难侦测到，不过一旦测到之后，若能排除其他成因，便能说确实量到太初引力波在CMB上所留下的效应。不幸的是，星尘也会造成B模态的偏振，所以观测并找出星尘的分布与效应，并想办法去除这个污染就变得非常重要。

2014年3月，在南极观测的BICEP2团队召开了记者会，宣称观测到在CMB里的引力波信号，指的就是这一种B模态偏振。该消息震惊了物理界，所有的宇宙学者都感到非常兴奋。想到人类在宇宙中是那么的微不足道，可是竟然可以经由数学、物理去了解整个宇宙，真是件不可思议的事。想象一下，那种情景就像是我们人体内的病毒，经由科学分析可以了解我们人体的结构，并了解我们的一生一样，甚至有过之而无不及！

可惜这种兴奋之情并没有维持太久。就像其他重大的科学发现一样，事情总是没有那么顺利。2015年1月，负责观测全天空宇宙微波背景辐射的普朗克团队发布了他们的观测数据，显示星尘的效应比想象中来得大，而BICEP2的结果并没有严谨地去除星尘效应。虽然两个团队所测量的频段略有不同，但BICEP2所观测的是某个特定角度的数据，而普朗克团队所测的则是全天空的数据。不管如何，至少我们并不能肯定地说BICEP2的观测结果的确证明观测到太初引力波。现在争论已经尘埃落定，BICEP2的结果看来应该是由星尘造成的。说不定观测的结果混杂了引力波和星尘的共同效应，但这是科学，不能仅凭猜测，必须很严谨地反复检验。但BICEP2的观测精准度比其他团队来得精准也是不争的事实，或许在不久的将来，下一阶段的观测可获得重大的发现。(www.xing528.com)

事实上在2014年时，全球物理学界普遍期待美国的激光干涉仪引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO）的升级计划，希望能在未来五到十年内直接捕获引力波的信号。虽然如此，BICEP2这令人沮丧的结果还是让一些宇宙学者开始认真思考最坏的可能情况：当仪器精密度改善之后，如果我们还是找不到引力波信号的话，那代表什么意义呢？宇宙早期是否真的经历过一段急剧扩张的暴胀时期吗？我们是否准备好因应没有引力波存在的宇宙？更基本的问题是——我们该如何看待广义相对论呢？

正当宇宙学家们竭尽全力认真思考以上这些可能性时，令人振奋的消息迅即到来。2016年2月11日，LIGO团队发表了他们最新的观测结果，宣布LIGO的两个观测站首次直接侦测到由太空深处一对黑洞合并所发出的微弱引力波信号GW150914。随后侦测到的两次事件GW151226与GW170104让我们更确认引力波的存在。这不仅应验了爱因斯坦的预言，更开启了宇宙学的全新视角，预期太初引力波终将为我们捎来极早期宇宙剧烈变化的幽微信息。