Νέες μελέτες διασώζουν σήμα βαρυτικών κυμάτων από τον θόρυβο
Μετά την ιστορική ανακοίνωση τον Φεβρουάριο του 2016 που χαιρέτιζε την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, δεν άργησε να εμφανιστούν σκεπτικιστές.
Η ανίχνευση αυτών των αδύναμων κυματισμών στον ιστό του χώρου και του χρόνου από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO) λέγεται ότι άνοιξε ένα νέο αυτί στο σύμπαν. Αλλά το επόμενο έτος, μια ομάδα φυσικών στο Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη δημοσίευσε ένα έγγραφο που δημιουργούσε αμφιβολίες για την ανάλυση του LIGO. Εστίασαν την κριτική τους στο διάσημο πρώτο σήμα του πειράματος, μια σαθρή γραμμή — που αντιπροσωπεύει τη σύγκρουση γιγάντων μαύρων οπών σε απόσταση μεγαλύτερη από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός— που τυπώθηκε σε εφημερίδες σε όλο τον κόσμο και είχε τατουάζ σε σώματα.
Ακόμη και όταν το LIGO ανίχνευε περισσότερα σήματα βαρυτικών κυμάτων και οι ιδρυτές του έλαβαν βραβεία Νόμπελ, οι ερευνητές της Κοπεγχάγης, με επικεφαλής τον ομότιμο καθηγητή Andrew Jackson, ισχυρίστηκαν ότι βρήκαν ανεξήγητους συσχετισμούς στον «θόρυβο» που ανέλαβε οι δίδυμοι ανιχνευτές του LIGO. Οι ανιχνευτές - όργανα σε σχήμα L των οποίων οι βραχίονες τεντώνονται και συμπιέζονται εναλλάξ όταν περνάει ένα βαρυτικό κύμα - βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους στο Livingston της Λουιζιάνα και στο Hanford της Ουάσιγκτον, για να διασφαλιστεί ότι μόνο οι βαρυτικοί κυματισμοί από το διάστημα θα μπορούσαν να κουνήσουν και τα δύο όργανα με τον σωστό τρόπο να παράγει το ενδεικτικό σήμα. Αλλά σύμφωνα με τον Τζάκσον και την ομάδα του, οι συσχετισμοί στα δεδομένα θορύβου υποδηλώνουν ότι το LIGO μπορεί να είχε ανιχνεύσει όχι βαρυτικά κύματα αλλά κάποια επίγεια διαταραχή, ίσως έναν σεισμό. Ισχυρίστηκαν ότι, τουλάχιστον, κάτι δεν πήγαινε καλά με τα όργανα ή με την ανάλυση των επιστημόνων του LIGO.
Τα ευρήματα ήταν ανησυχητικά. Οι επιστήμονες του LIGO έλεγξαν ξανά τη δουλειά τους και μια ομάδα ειδικών επισκέφτηκε το Ινστιτούτο Niels Bohr πέρυσι για να ψάξει στις λεπτομέρειες των αλγορίθμων του Τζάκσον και των συνεργατών του. Δύο ομάδες ερευνητών ξεκίνησαν να αναλύσουν ανεξάρτητα τα δεδομένα του LIGO και τον κώδικα της ομάδας της Κοπεγχάγης.
Τώρα και οι δύο ομάδες έχουν ολοκληρώσει τις σπουδές τους. Οι νέες δημοσιεύσεις εξηγούν διαφορετικές πτυχές του προβλήματος που οδήγησαν τον Τζάκσον και τους συγγραφείς του να κάνουν τον ισχυρισμό τους. Και οι δύο αναλύσεις καταλήγουν οριστικά στο συμπέρασμα ότι ο ισχυρισμός είναι λάθος:Δεν υπάρχουν ανεξήγητες συσχετίσεις στον θόρυβο του LIGO.
«Δεν βλέπουμε καμία δικαιολογία για παρατεταμένες αμφιβολίες σχετικά με την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων», δήλωσαν σε ένα email οι συγγραφείς μιας από τις εργασίες, οι φυσικοί Μάρτιν Γκριν και Τζον Μόφατ του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Περίμετρος.
Το ζευγάρι δεν έχει άμεσο δεσμό με το LIGO. "Είναι σημαντικό για την επιστήμη οι άνθρωποι να κάνουν ανάλυση δεδομένων και αποτελεσμάτων ανεξάρτητα από την ομάδα", είπε ο Moffat, "ειδικά για ένα τόσο ιστορικό γεγονός στην ιστορία της φυσικής."
Ο Frans Pretorius, ειδικός στα βαρυτικά κύματα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ο οποίος δεν συμμετείχε σε καμία από τις πρόσφατες μελέτες, είπε ότι για περισσότερο από ένα χρόνο, ο ίδιος και το μεγαλύτερο μέρος της κοινότητας της φυσικής ήταν ικανοποιημένοι ότι η ανάλυση του LIGO και η ανακάλυψή του είναι ορθές . Ωστόσο, είπε, «είναι σημαντικό να υπάρξει επιτέλους μια ενδελεχής ανάλυση με τη μορφή χαρτιού, παρά «μέσα εμπρός και πίσω».
Ο εκπρόσωπος της Επιστημονικής Συνεργασίας LIGO 1.200 ατόμων, David Shoemaker του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, είπε μέσω email ότι τα νέα ευρήματα επιβεβαιώνουν τις εσωτερικές συζητήσεις μεταξύ της ομάδας. «Βλέποντας αυτές τις δύο εκ νέου αναλύσεις εκτός Συνεργασίας επιβεβαιώνει τη βεβαιότητά μου ότι οι ανιχνεύσεις [των βαρυτικών κυμάτων] είναι γνήσιες», είπε ο Shoemaker, «και επίσης είναι μια ενίσχυση της προηγούμενης αντίληψής μας για το πού ο Jackson et al. Το χαρτί έχει προβλήματα."
Σε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, ο Τζάκσον κάλεσε την εργασία των Green and Moffat, η οποία δημοσιεύτηκε στο Physics Letters B τον Σεπτέμβριο, «απόλυτο σκουπίδι». Όταν του ζητήθηκε να δώσει περισσότερες λεπτομέρειες, φάνηκε να χαρακτήρισε λανθασμένα το επιχείρημά τους και δεν αναφέρθηκε στα πιο σημαντικά ζητήματα που έθεσαν σχετικά με το έργο της ομάδας του. Ο Τζάκσον απέρριψε επίσης το δεύτερο σύνολο ευρημάτων του Άλεξ Νίλσεν του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για τη Βαρυτική Φυσική στο Αννόβερο της Γερμανίας και τρεις συγγραφείς, των οποίων η εργασία εμφανίστηκε στον ιστότοπο προεκτύπωσης της φυσικής arxiv.org τον Νοέμβριο και είναι υπό εξέταση από το Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . «Βρισκόμαστε στη διαδικασία να γράψουμε μια απάντηση σε αυτό το τελευταίο έγγραφο», έγραψε ο Τζάκσον, επομένως «δεν θα εξηγήσω πού έκαναν (για άλλη μια φορά) τα λάθη τους».
«Η ομάδα της Κοπεγχάγης αρνείται να δεχτεί ότι μπορεί να κάνει λάθος», είπε ο Moffat. "Στην πραγματικότητα, κάνουν λάθος."
Οι ειδικοί λένε ότι το πρόβλημα κατέληξε σε έναν συνδυασμό σφαλμάτων:αρκετές από τους φυσικούς της Κοπεγχάγης και μία από το LIGO.
Για να βοηθήσουν στην απομάκρυνση του μικρού κύματος ενός διερχόμενου βαρυτικού κύματος από ένα θορυβώδες υπόβαθρο, οι αλγόριθμοι του LIGO συγκρίνουν συνεχώς τα μήκη των βραχιόνων των δίδυμων ανιχνευτών, τα οποία ταλαντώνονται όταν αναταράσσονται από ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα ή θόρυβο φόντου, με «κυματομορφές προτύπου» — πιθανή σήματα βαρυτικών κυμάτων που υπολογίζονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Όταν υπάρχει μια στενή αντιστοιχία μεταξύ ενός σήματος που ανιχνεύθηκε στο Hanford και ενός σήματος που ανιχνεύτηκε λίγο πριν ή μετά στο Livingston που ταιριάζει επίσης σε μια κυματομορφή προτύπου, οι ειδοποιήσεις ηλεκτρονικού ταχυδρομείου πετούν σε όλο τον κόσμο.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες προσδιορίζουν προσεκτικά την «καλύτερη εφαρμογή» βαρυτικής κυματομορφής που ταιριάζει περισσότερο με το σήμα στους δύο ανιχνευτές. Όταν αυτή η κυματομορφή αφαιρεθεί από κάθε ένα από τα σήματα, αυτό αφήνει πίσω του "υπολείμματα θορύβου" - τα υπόλοιπα μικρά κουνήματα στους ανιχνευτές που δεν πρέπει να συσχετίζονται, καθώς τα όργανα απέχουν περίπου 2.000 μίλια μεταξύ τους.
Στην εργασία του 2017, η ομάδα της Κοπεγχάγης ισχυρίστηκε ότι ανακάλυψε ότι ο θόρυβος στο Livingston ταίριαζε με τον θόρυβο στο Hanford επτά χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα, ακριβώς τη στιγμή που το υποτιθέμενο σήμα βαρυτικού κύματος έφτασε και στους δύο ανιχνευτές. Το ερμήνευσαν ότι σημαίνει ότι το LIGO είτε δεν είχε διαχωρίσει καθαρά το σήμα τους από το θόρυβο ή ότι οι συσχετισμοί στον θόρυβο ακριβώς την κατάλληλη στιγμή ήταν υπεύθυνοι για ολόκληρο το σήμα.
Ωστόσο, ο Green και ο Moffat εντόπισαν μια σειρά σφαλμάτων στον χειρισμό δεδομένων της ομάδας της Κοπεγχάγης, τα οποία λένε ότι συνωμότησαν για να δημιουργήσουν έναν συσχετισμό που στην πραγματικότητα δεν υπήρχε.
Για να αναζητήσουν συσχετίσεις στα υπολείμματα, ο Τζάκσον και οι συνεργάτες του επέλεξαν ένα τμήμα δεδομένων του Livingston των 20 χιλιοστών του δευτερολέπτου και διέλυσαν τμήματα δεδομένων Hanford των 20 χιλιοστών του δευτερολέπτου, καταγράφοντας συσχετίσεις όποτε οι κορυφές επικαλύπτονταν με κορυφές και τα κατώτατα σημεία με κοιλότητες. Διαπίστωσαν ότι ισχυροί συσχετισμοί συνέβησαν όταν τα δεδομένα αντισταθμίστηκαν κατά επτά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αλλά ο Green και ο Moffat παρατήρησαν ότι όταν πήραν τον κώδικα του Jackson και των συναδέλφων τους και αντέστρεψαν τη διαδικασία, διορθώνοντας τα δεδομένα θορύβου Hanford και σύροντας τα τμήματα δεδομένων Livingston σε αυτά, η συσχέτιση με μετατόπιση επτά χιλιοστών του δευτερολέπτου εξαφανίστηκε. «Αυτή ήταν μια μεγάλη κόκκινη σημαία γιατί λέει, εντάξει, δεν έχετε μια μέθοδο υπολογισμού που να είναι ισχυρή», είπε ο Green, ειδικός στην επεξεργασία ψηφιακού σήματος. Αντίθετα, τα μήκη των τμημάτων δεδομένων και η ασύμμετρη επεξεργασία τους "συντονίστηκαν για να ληφθεί ένα σήμα συσχέτισης σχεδόν σε οποιαδήποτε επιθυμητή χρονική μετατόπιση", είπε.
Σε έναν ξεχωριστό υπολογισμό, ο Τζάκσον και η ομάδα του φάνηκε να βρίσκουν μη τυχαία, συσχετισμένα μοτίβα κορυφών και κατώτατων σημείων σε όλα τα αρχεία θορύβου στους δύο ανιχνευτές. Αλλά οι Green και Moffat συμπέραναν ότι οι φυσικοί της Κοπεγχάγης δεν είχαν «παραθέσει» τα δύο σύνολα δεδομένων θορύβου. Η δημιουργία παραθύρων είναι μια τυπική τεχνική για την ομαλή κλήση ενός σήματος στο μηδέν στην αρχή και στο τέλος ενός τμήματος δεδομένων πριν γίνει μια μαθηματική πράξη που ονομάζεται «μετασχηματισμός Fourier» που διευκολύνει τις συγκρίσεις με άλλα δεδομένα. Ο μετασχηματισμός Fourier αντιμετωπίζει ένα τμήμα δεδομένων σαν να είναι κυκλικό, συνδέοντας μεταξύ τους την αρχή και το τέλος. Εάν το τμήμα δεν έχει παράθυρο, οι απότομες αλλαγές στα τελικά σημεία που ονομάζονται "παραμορφώσεις συνόρων" μπορεί να μοιάζουν με συσχετίσεις όταν τα δεδομένα συγκρίνονται με ένα δεύτερο σύνολο δεδομένων.
Όταν ο Green και ο Moffat παρείχαν τα δύο σύνολα δεδομένων θορύβου, οι ισχυριζόμενοι συσχετισμοί εξαφανίστηκαν. «Η ανησυχία μας είναι ότι ο υπολογισμός που έγινε από τον όμιλο της Κοπεγχάγης επινοήθηκε για να πάρουν το αποτέλεσμα που ήθελαν να έχουν», είπε ο Green.
Ο Nielsen και οι συνεργάτες του — Alexander Nitz, Collin Capano και Duncan Brown — κατέληξαν επίσης στο συμπέρασμα ότι ο ισχυριζόμενος συσχετισμός στον θόρυβο δεν είναι αληθινός, αλλά λένε ότι το σφάλμα μπορεί να αποδοθεί τουλάχιστον εν μέρει στο λάθος του LIGO να παρέχει λανθασμένα δεδομένα στο πρώτη εικόνα της ανακάλυψης του 2016 στο Physical Review Letters .
Το Σχήμα 1 είναι «αυτό που οι άνθρωποι έχουν κάνει τατουάζ στα χέρια τους», είπε ο Μπράουν, αστρονόμος βαρυτικών κυμάτων στο Πανεπιστήμιο των Συρακουσών και πρώην μέλος του LIGO, ο οποίος εγκατέλειψε τη συνεργασία φέτος για να συνεχίσει ανεξάρτητες αναλύσεις των δεδομένων.
Το επάνω πάνελ του σχήματος δείχνει πλάγιες γραμμές δίπλα-δίπλα που αντιπροσωπεύουν το σήμα βαρυτικού κύματος που ανιχνεύθηκε στο Livingston και το Hanford. Από κάτω υπάρχουν κυματομορφές προτύπου που ταιριάζουν στενά με τα σήματα και, στο κάτω πλαίσιο, οδοντωτές γραμμές που αντιπροσωπεύουν τα "υπολείμματα θορύβου" στους δύο ανιχνευτές, αφού αφαιρεθεί η κυματομορφή του προτύπου από κάθε σύνολο δεδομένων.
Ο Μπράουν εξήγησε ότι ο κώδικας του Τζάκσον, τον οποίο εξέτασε λεπτομερώς κατά τη διάρκεια μιας επίσκεψης στην Κοπεγχάγη πέρυσι, ανιχνεύει μια επικάλυψη στα υπολείμματα σε μετατόπιση επτά χιλιοστών του δευτερολέπτου για έναν απλό λόγο:Η κυματομορφή του προτύπου που φαίνεται στο Σχήμα 1 δεν είναι η "καλύτερη εφαρμογή" που χρησιμοποίησε το LIGO στην αυστηρή του ανάλυση. Η φιγούρα δημιουργήθηκε για ενδεικτικούς σκοπούς, εξήγησαν ο Μπράουν και άλλοι. Ο κατασκευαστής φιγούρων είχε αντιστοιχίσει μια κυματομορφή προτύπου με τα δίδυμα σήματα με το μάτι, αντί να χρησιμοποιήσει το σήμα που ταιριάζει καλύτερα, όπως καθορίζεται από προσεκτικούς υπολογισμούς. Μικρές ατέλειες στην αφαιρεμένη κυματομορφή σήμαιναν ότι είχε απομείνει κάποιο σήμα βαρυτικού κύματος και στα δύο σύνολα δεδομένων που δεν αφαιρέθηκε και το οποίο κατέληξε να αναμειγνύεται με τον θόρυβο που φαίνεται στο κάτω μέρος του Σχήματος 1 — παράγοντας συσχετίσεις που θα μπορούσαν να είναι πειράχτηκαν από τους αλγόριθμους του Τζάκσον και των συναδέλφων τους. «Αυτό που ανακάλυψαν ήταν μια ατελής αφαίρεση» της κυματομορφής του σήματος, είπε ο Μπράουν. «Όταν αφαιρούμε μια καλύτερη κυματομορφή από αυτή που χρησιμοποιείται στο PRL χαρτί, δεν βρίσκουμε στατιστικά σημαντικά υπολείμματα."
«Αν το LIGO έκανε κάτι λάθος», πρόσθεσε, «δεν ήταν ξεκάθαρο ότι κομμάτια αυτής της φιγούρας ήταν ενδεικτικά και ο ισχυρισμός ανίχνευσης δεν βασίζεται σε αυτή την πλοκή». Ο Τζάκσον, ωστόσο, κατηγόρησε τους επιστήμονες του LIGO σε ένα email για «ανάρμοστη συμπεριφορά» και ότι πήραν «τη συνειδητή απόφαση να μην ενημερώσουν τον αναγνώστη ότι παραβιάζουν έναν από τους κεντρικούς κανόνες της καλής επιστημονικής πρακτικής».
Τι φταίει, το ατημέλητο σχήμα του LIGO ή οι λανθασμένοι υπολογισμοί του ομίλου της Κοπεγχάγης; «Στην πραγματικότητα, νομίζω ότι είναι και τα δύο», είπε ο Μπράουν. Εάν ο Τζάκσον και οι συνάδελφοί του ήταν σε θέση να συντονίσουν τις παραμέτρους τους για να δημιουργήσουν συσχετίσεις με μετατόπιση επτά χιλιοστών του δευτερολέπτου, όπως υποδηλώνουν τα ευρήματα των Green και Moffat, αυτό θα είχε ουσιαστικά προκατειλημμένος τους υπολογισμούς τους. Στη συνέχεια, με την ίδια μετατόπιση, ο προκατειλημμένος αλγόριθμός τους επέλεξε τα ατελώς αφαιρεμένα κομμάτια του σήματος στον θόρυβο, ενισχύοντας την εσφαλμένη εντύπωση.
Ο Τζάκσον, ωστόσο, υποστηρίζει ότι υπάρχουν οι ανεξήγητοι συσχετισμοί και λέει ότι ο ίδιος και οι συνάδελφοί του ετοιμάζουν μια διάψευση στην πρόσφατη δουλειά. Εξακολουθεί να πιστεύει ότι το πρώτο, πιο ισχυρό σήμα βαρυτικών κυμάτων του LIGO (και όλα τα άλλα κατ' επέκταση) θα μπορούσε να ήταν κάτι εντελώς άλλο - ίσως, είπε, «ένας κεραυνός στη Μπουρκίνα Φάσο, σεισμικός ή ακόμα και μια από τις μυστηριώδεις «δυσλειτουργίες» που βλέπουν οι ανιχνευτές LIGO περίπου μία φορά την ώρα."
Αλλά και οι δύο νέες εργασίες εξέτασαν και ανέλυσαν εκ νέου τα ακατέργαστα δεδομένα του LIGO και ανακάλυψαν εκ νέου τα σήματα βαρυτικών κυμάτων μέσα σε αυτό, χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αλγόριθμους από αυτούς του LIGO. Άλλοι ερευνητές έχουν κάνει το ίδιο.
«Νομίζω ότι η επιδίωξη ανεξάρτητων αναλύσεων δεδομένων βαρυτικών κυμάτων είναι πολύ σημαντικό και πολύτιμο πράγμα που πρέπει να κάνουμε και είμαστε χαρούμενοι που περισσότεροι άνθρωποι εμπλέκονται», δήλωσε ο Shoemaker, εκπρόσωπος του LIGO. «Ότι οι Jackson et al. Η εργασία έχει υποκινήσει ορισμένες πρόσθετες ανεξάρτητες έρευνες μπορεί να θεωρηθεί ως θετικό αποτέλεσμα, αλλά προσωπικά πιστεύω ότι έχει ένα εντελώς περιττό κόστος «δραματουργίας».
Εν τω μεταξύ, οι δίδυμοι ανιχνευτές του LIGO, μαζί με ένα τρίτο όργανο στην Ευρώπη που ονομάζεται Virgo που άνοιξε το 2017, έχουν καταγράψει μέχρι σήμερα 10 συγκρούσεις μαύρης τρύπας και μία χωροχρονική ταλάντευση από συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων. Οι επιστήμονες ανακοίνωσαν τις τέσσερις τελευταίες ανιχνεύσεις μαύρης τρύπας αυτόν τον μήνα και κυκλοφόρησαν εκθαμβωτικά γραφικά που δείχνουν τον αυξανόμενο πληθυσμό του σύμπαντος αυτών των μυστηριωδών, αόρατων, εξαιρετικά πυκνών σφαιρών. Όταν εντοπίστηκε πέρυσι η σύγκρουση αστεριών νετρονίων, 70 τηλεσκόπια στράφηκαν προς τα πυροτεχνήματα. οι παρατηρήσεις τους έδειξαν την κοσμική προέλευση του χρυσού, τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος και πολλά άλλα.
Ο Μπράουν είπε ότι δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η επαναστατική ανακάλυψη του LIGO προκάλεσε σκεπτικισμό. Εντοπίστηκε ένα ισχυρό συμβάν «βασικά την ημέρα που το ενεργοποιήσαμε», είπε, και ο ρυθμός των συγκρούσεων μαύρων οπών στον κόσμο αποδείχθηκε ότι είναι στο υψηλότερο επίπεδο των προσδοκιών.
"Το σύμπαν αγαπά τους αστρονόμους βαρυτικών κυμάτων", είπε.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .
