引力波為宇宙膨脹提供強有力證據

位於南極的BICEP2望遠鏡的觀測發現了當宇宙誕生僅幾分之一秒鐘和引力波通過空間時宇宙膨脹的首個直接證據。

BICEP2觀測到的CMB內的極化模式。這些昏暗的旋渦是引力波的證據。影像提供：BICEP2 Collaboration.

至今，膨脹已經成為宇宙大爆炸模型的阿基利斯之踵。大爆炸是觀測的直接結果，是埃德溫·哈勃在1920年代首次觀測到的，我們生活在膨脹的宇宙中，確切的講，138.1億年前，宇宙比現在小得多，宇宙如此小，事實上它只是一個包含今天宇宙所有質量和能量的點。具有所有這些噴薄而出的能量，宇宙在誕生後立刻開始膨脹了，但是，二十世紀的天文學家漸漸地開始注意到一些奇怪的東西。宇宙是巨大的，今天最遠的可見區域約960億光年遠。它們如此遙遠，光或者任何物理特徵不可能有足夠的時間從一頭傳播到另一頭，然而這些遙遠的區域看上去都非常相似，並分享相同的特徵。

1980年，MIT的物理學家阿蘭·古斯為這個佯謬提供了一個理論解釋，他稱之為膨脹。他提出，大爆炸後的一瞬間，宇宙經歷了極端的爆發。它持續了不到一秒鐘，但這次宇宙膨脹了100萬億萬億倍，遠遠超過了光速（因為這是空間本身膨脹的速度，而光速是空間內物體的速度極限。）。這個膨脹的時刻立刻佔據了最近的區域，分享特徵，並彼此遠離。

BICEP2（宇宙銀河系外極化的背景影像）研究宇宙微波背景（CMB）內的極化光。這種微波背景在大爆炸後約380000年輻射出來，當時宇宙已經足夠冷卻，能夠讓電子和原子複合，光毫無阻礙地在宇宙內穿行，沒有電子散射掉。

威爾金森微波各向異性探測器看到的宇宙微波背景。偽彩色表示早期宇宙內的高低不同的密度區。影像提供：NASA/WMAP Science Team.

然而，在「複合」期之前，光量子的大部分時間在散射電子。這在CMB中留下了一個極化信號，這和當光從池塘表面反射回來後被極化的原理是一樣的。藉助BICEP2，天文學家能夠測量這個極化信號，發現其模式是獨一無二的，用技術術語表示是「B模式」極化。它描述了極化怎樣成為左偏或者右偏，留下了一種可識別的旋轉模式，正好是我們期望引力波在宇宙膨脹後產生的。

雖然從各方面而言都是一次真正卓越的觀測，卡米文克烏斯季提出了警告，他指出這些觀測必須首先被證實。BICEP3實驗正在南極進行，歐空局的普朗克望遠鏡一直在太空研究CMB及其極化。無論如何，卡米文克烏斯季為這些發現感到很激動。

「膨脹發送給我們一份電報，用CMB的引力波進行編碼，」他說。「需要數十年時間才能確切地理解這份電報告訴我們什麼信息。」