【專題報導】發現重力波的方法及其深遠意涵
■要了解「宇宙泛星系偏振背景成像二代」 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2, BICEP2) 研究團隊，如何發現驗證宇宙暴脹理論的重力波，首先要從宇宙微波背景輻射 (cosmic microwave background, CMB) 開始談起。
編譯｜高英哲
宇宙微波背景輻射是彌漫在整個天空中的微弱餘暉，時間可追溯到大霹靂發生後 38 萬年。在這之前的新生宇宙，溫度跟密度都太高，光無法在不碰到物質的情況下行進；等到宇宙冷卻到能夠形成中性原子時，光就可以暢行無阻地穿越空間，形成宇宙微波背景輻射。然而在大霹靂發生後瞬間產生的重力波，早就已經在宇宙微波背景輻射裡頭留下了痕跡。
BICEP2 團隊利用由大約 250 個指甲大小的偏振偵測器，透過無線電波望遠鏡觀測天空中的一小塊區域，尋找宇宙微波背景輻射裡頭，一種叫做「Ｂ模」的特殊偏振情形——這種偏振表示這些古早宇宙遺留下來的光，其偏振方向受到重力波的影響，產生扭曲或卷曲的現象。重力波是時空結構裡的漣漪，有人稱之為「大霹靂的最初震顫」；根據愛因斯坦的廣義相對論，重力波會在行進時擠壓空間，從而對宇宙微波背景輻射產生一種獨特的偏振模式。重力波跟光波一樣，也有左旋跟右旋的偏振之分。
負責設計 BICEP2 偵測器的史丹佛大學物理系助理教授郭兆林說：「重力波有偏振方向之分，因此漩渦狀的Ｂ模偏振，就是代表有重力波存在的獨特信號。」
BICEP2 團隊選擇在空氣乾冷，觀測條件格外穩定的南極進行觀測，從 2010 年 1 月到 2012 年 12 月，收集了整整三年的資料，結果發現宇宙微波背景輻射裡的重力波波動，與物質密度擾動所造成的波動之間的比例值 r ，是先前預估值的將近兩倍——威金森微波各向異性探測器 (WMAP) 與普朗克衛星所蒐集到的全天宇宙微波背景輻射資料，算出來的 r 值不到 0.11 ，然而 BICEP2 測得的 r 值卻高達 0.20 。
雖然 BICEP2 的數據是直接從宇宙微波背景輻射的偏振現象測量而得，不像普朗克衛星的數據是從宇宙微波背景輻射的溫度分佈圖間接推估而來，不過還是讓研究團隊戰戰兢兢，做了三年多的全面分析，確定觀測結果無誤才敢發表。「這個小小的 r 值是關鍵所在，新測得的這個數值改變了很多事情。」最早提出宇宙暴脹理論的亞倫．古斯博士 (Alan Guth) 這樣說。
這麼高的 r 值意味著宇宙暴脹發生的時間點，比許多大霹靂模型預測的還要早，幾乎可以說是在大霹靂發生後的剎那間就開始了。一旦能夠確知宇宙暴脹發生的時間點，就能知道宇宙暴脹發生之時的能量尺度，而物理學家認為在那樣的能量尺度下，除了重力以外的所有大自然作用力（也就是電磁力、強交互作用、以及弱交互作用），都是統合成為單一的作用力，這就是所謂的「大一統理論」。
大一統理論認為除了由 2012 年發現的希格斯玻色子 (Higgs boson) 構成的希格斯場以外，還有其他類似的場存在，這也就表示有比希格斯玻色子更重的粒子存在，而任何傳統的粒子加速器都做不出質量這麼大的粒子。「這項觀測結果使我們可以把早期的宇宙當成實驗室，以我們現階段根本不可能達到的能量尺度，進行新的物理研究。」約翰霍普金斯大學天文物理學教授馬克．卡密昂考斯基 (Marc Kamionkowski) 說。凡是沒有把這種能量尺度列入計算的宇宙暴脹模型，在新的觀測結果之下通通站不住腳。
這項新發現對於量子力學與廣義相對論之間的關聯性，也有很深遠的意涵。「每個搞宇宙學的人都知道，宇宙暴脹造成的Ｂ模偏振，不單要看重力波的現象如何，也取決於重力本身量子化的情況。宇宙暴脹理論假設一切都是起源於量子波動，然後暴脹把那個量子態放大至極。」領導 BICEP2 研究團隊的約翰．柯維奇博士 (John M. Kovac) 說。
除了 BICEP2 以外，還有許多研究團隊也在宇宙微波背景輻射裡尋找Ｂ模偏振：普林斯頓大學的「阿塔卡馬Ｂ模搜尋計畫」 (ABS) 、加州大學柏克萊分校的「北極熊計畫」 (POLARBEAR) 、明尼蘇達大學的高空氣球 EBEX 實驗、約翰霍普金斯大學的「宇宙學大角尺度測量儀」 (CLASS) 等等。其中一組研究團隊「南極望遠鏡」 (South Pole Telescope) ，去年報告說他們發現了Ｂ模偏振，不過後來證實那是大型銀河系的宇宙微波背景輻射，所造成的重力透鏡效應所致，並不是宇宙生成之初的重力波。現在既然 BICEP2 偵測到如此清晰的Ｂ模偏振訊號，其他這些研究團隊應該可以輕易確認這項發現是否屬實。
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研究出處：<How Astronomers Saw Gravitational Waves from the Big Bang><Gravitational Waves from Big Bang Detected>
譯者：高英哲 科教中心特約寫手，從事科普文章編譯。
責任編輯：Kerina Huang