【天文大事】重力波?還要再等一等

■共同分析由BICEP2,Keck及Planck三個實驗所取得的數據後,三個實驗的物理學家宣佈,到目前為止依舊沒有看到重力波的跡象。

Planck_view_of_BICEP2_field_node_full_image_2
PLANCK VIEW OF BICEP2 FIELD

撰文|陳勁豪

目前物理學界基本上同意宇宙是在138億年前經由大爆炸而產生的。在大爆炸發生之際,宇宙可以被想像是個高溫高密度的大火球,之後這個大火球發生暴脹,使得宇宙的體積快速膨脹,同時也使宇宙的溫度跟密度降低。到了約38萬年之後,光子可以自由在宇宙中前進,成為宇宙中最早的光。這也就是所謂的宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)。透過對CMB的精準測量,科學家相當於可以看到宇宙誕生後38萬年的嬰兒宇宙的樣貌。

宇宙微波背景輻射(CMB)在1964年由Arno Penzias跟Robert Wilson發現(並共同獲得1978年的諾貝爾物理學獎)。之後有著許多的實驗對CMB進行精準測量。科學家甚至發射衛星,以便對全天域進行CMB的測量。首先是1989年升空的COBE實驗(Cosmic Background Explorer),接著是2001年所發射的威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)。2009年,歐洲太空總署發射了Planck衛星,對CMB進行九個不同頻率的精準測量。

而當宇宙經由暴脹階段快速膨脹的時候,理論上在這個階段會產生重力波,並因此在CMB的極化方向中留下痕跡。理論預測如果宇宙的確經歷了暴漲階段,那麼當測量CMB的極化方向時,會發現CMB的極化方向會以B-mode,也就是不帶散度的形式存在。

但是B-mode的測量相當困難,其中一個主要原因是因為星際塵埃(star dust)也會產生相似的訊號。所以要測量B-mode,一定要能夠精準消除星際塵埃所帶來的影響。

在2014年三月,位於南極的BICEP2實驗發表他們的觀測結果,他們表示在測量了CMB的極化方向後,看到了符合B-mode的訊號,因此認為他們發現了重力波,同時證實了宇宙的暴漲理論。這個結果不但震撼了物理界,同時也引起了世界上各大媒體的廣泛報導。

但是不久之後,許多物理學家開始質疑BICEP2的結果並沒有仔細去除星際塵埃所造成的影響。簡單的說,BICEP2根據他們當時所得到的資料,認為在他們所選擇的空域中,星際塵埃所造成的影響遠小於他們所要尋找的重力波訊號。但是在2014年九月,PLANCK實驗公佈了他們對星際塵埃的測量結果,發現在BICEP2所觀察的空域中,星際塵埃所造成的效應遠大於BICEP2的估計,事實上,幾乎跟BICEP2所觀測到的強度相當。換句話說,BICEP2所宣稱的重力波訊號可能並不如他們2014年三月所宣稱的那麼清楚。

因此BICEP2跟PLANCK決定合作,合併兩個實驗的數據並共同分析,以得到更精準的測量結果。他們同時加入了另一個位於南極的Keck陣列在2012-2013所取得的數據。PLANCK提供了30GHz到353GHz之間的測量結果,而BICEP2跟Keck陣列的數據則是位於150GHz的波段。分析的結果顯示,在這些新數據中,當仔細移除星際塵埃所產生的訊號後,他們沒有辦法看到之前所宣稱的重力波訊號。這個新分析所得到的重力波訊號上限與PLANCK由觀測CMB所得到的間接結果一致。

但是這只是尋找重力波的第一回合。Keck陣列剛增加了一個觀測頻率(220GHz),使得Keck陣列可以同時得到150, 100, 220 GHz的觀測結果。BICEP3也剛在南極裝設完畢,預計增加95GHz的觀測能力。在增加新的觀測頻率後,將可以更有效的去除來自星際塵埃的雜訊,進而更精準的測量B-mode是否存在。

--
原始論文: “A Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Planck Data”
參考資料: ESA 2015/01/30: PLANCK: Gravitational waves remain elusive

--
作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

加入好友

5,910 人瀏覽過

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: