宇宙大爆炸第一波的引力波震荡是怎么被探测到的?
人类在宇宙138亿年时探测到了宇宙在10的负33次方秒时的原初引力波在宇宙38万年时产生的微波背景辐射中留下的痕迹。
(所以说不是直接观测到宇宙早期的引力波,而是在宇宙微波背景辐射中找到了引力波存在的迹象。)
想象一下大海的潮水退去后会在沙子上留下波的痕迹,宇宙中没有充斥沙子而是充斥一种叫做宇宙微波背景辐射,微波背景辐射是大爆炸的余晖,这种辐射无处不在,所以我们猜想在宇宙微波背景辐射中带有引力波留下的痕迹,于是又天体物理团队创造了非常灵敏的辐射探测器,并且把它装在一台位于南极的望远镜上(名为“BICEP”宇宙泛星系偏震背景成像),寻找痕迹(涟漪),经过几年的艰苦寻找他们在宇宙微波背景辐射中发现了漩涡状图案,随后3年多对其进行数据分析,排除了其他可能的来源,确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。计算机模型此前已经预测了这种背景辐射应当具备的特殊偏振模式(寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式,其特点是会形成旋涡),从而使其能够与宇宙大爆炸之后的暴涨理论相吻合。所以这是自广义相对论预言引力波以来证明它存在的最直接证据,也是迄今暴涨理论最有说服力的证据。
宇宙微波背景辐射是一种弥漫整个宇宙的极微弱的辐射信号。根据宇宙学中的暴涨理论,银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度,扣除掉这个速度对测量结果带来的影响,以及银河系内物质辐射的干扰,宇宙背景辐射具有高度各向同性(在各个方向上的物理等属性一致),温度涨落的幅度只有大约百万分之五。这个理论可以解释为什么宇宙从一开始的奇点变成了现在这个均匀平滑的样子。1916年,爱因斯坦预言了引力波的存在,同时指出这种现象将极其微弱,因此他认为人类将永远也无法实际探测到它。所以三体中,研究人员说到世界末日都可能看不到COBE数据的太大变化,否则就是重大发现了。原初引力波的强度是非常弱的,目前应该不可能直接探测到(指利用引力波驱动物体运动的方法,这种方法在LIGO,VIRGO等实验中使用,不过探测的都是例如双致密星产生的引力波,而非原初引力波)。
所以现在一般使用CMB偏振来做间接探测。
原初引力波会导致CMB辐射的偏振场呈现类似磁场一样的B模式的形状。在排除星际尘埃这类前景的污染后,这种形状在一定尺度内只能由原初引力波产生。所以可以利用B模式探测来间接探测原初引力波。