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Hunting for the primordial gravitational waves

 

arXiv:1409.7025 by Cheng Cheng, Qing-Guo Huang and Sai Wang

        1915年爱因斯坦提出广义相对论之后第二年,即1916年,他发现广义相对论预言存在引力波。引力波是时空的涟漪。广义相对论是描述无质量自旋为2的粒子(引力子)的一个自洽理论。然而100年来引力波从未被发现过。现在全世界很多科学家正在通往发现引力波的道路上赛跑。

        

        原初引力波(primordial gravitational waves)产生于极早期宇宙。由于宇宙的膨胀,它们的波长被拉长到宇宙尺度。由于引力子自旋为2,它们会在微波背景辐射极化上留下特殊的“指纹”(B-模极化)。

        2014年3月,宇宙河外背景偏振成像(BICEP2)合作组声称他们发现了原初引力波留下来的特殊的指纹(arXiv:1403.3985)!这一发现震撼了整个基础科学界。如果这是真的,那么将无疑是基础科学领域一个突破性的进展。大家津津乐道的不是这个发现能否值诺贝尔奖的问题,而是值几个诺贝尔奖的问题。如果BICEP2探测到的信号来自原初引力波,那么张-标比(tensor-to-scalar ratio)为r=0.20(-0.05)(+0.07)。这与A. Linde提出的m^2phi^2暴涨模型的预言相吻合。因此很多人乐观的估计发现B-模极化的BICEP2小组和提出暴涨宇宙学模型的三位科学家(A. Starobinsky, A. Guth和A. Linde)分别获得诺贝尔物理奖。

        2014年5月开始峰回路转。美国有两个小组构造了尘埃物质产生的CMB B-模极化模型,指出尘埃物质也可以很好的拟合BICEP2的观测数据(arXiv:1405.5857 by Mortonson and Seljak from UCBerkeley, 1405.7351 by Flauger, Hill and Spergel from Princeton University and New York University)。但是这两个小组都不能很好的预言尘埃物质产生的CMB B-模极化的大小,因此不能完全判断BICEP2的观测数据到底是来自宇宙尘埃还是原初引力波。要回答这个问题需要普朗克卫星的高频(353GHz)观测数据。

        2014年9月22日,星期一,普朗克353GHz的观测数据出现在预印本服务器上(arXiv:1409.5738)。下图中框住的部分对应BICEP2所观测的天区。

看到这篇文章后我意识到应当立即着手利用普朗克353GHz的观测数据定量分析BICEP2的数据是否还含有原初引力波的证据。把普朗克353GHz的结果作为一个prior加到COSMOMC,我们得到以下结论:

1、联合普朗克2013年发布的温度各向异性角功率谱和WMAP极化功率谱的数据,发现BICEP2的数据不包含原初引力波存在的证据。

2、在99.7%置信水平上排除A. Linde提出的m^2phi^2暴涨模型

我们的结果受到A. Linde, J. Ellis, U. Seljak等人的关注,与2015年2月BICEP2和普朗克合作组联合分析得到的结果(arXiv:1502.00612, 1502.02114)一致!

注释

 

Qing-Guo Huang (Professor)

 

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