Επεξήγηση του σήματος του Big Bang:Είναι η Κοσμική Σκόνη η Πραγματική Αιτία;

Η κοσμική σκόνη στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη του Γαλαξία μας θα μπορούσε να εξηγήσει ολόκληρο το μοτίβο στροβιλισμού που είχε παρουσιαστεί ως απόδειξη μιας κορυφαίας θεωρίας του Big Bang, σύμφωνα με μια νέα ανάλυση δεδομένων από τον δορυφόρο Planck.

Δεν υπήρχε καμία ανάγκη, πριν, να γνωρίζουμε ακριβώς πόση σκόνη πιπεριά στο εξωτερικό διάστημα, μακριά από το επίπεδο του Γαλαξία. Οι επιστήμονες κατάλαβαν ότι οι αμυδρά ακτινοβολούντες κόκκοι ευθυγραμμίζονται με το μαγνητικό πεδίο του γαλαξία μας και ότι οι στροφές και οι στροφές του πεδίου έδωσαν μια ανεπαίσθητη περιστροφή στη λάμψη της σκόνης. Αλλά αυτοί οι στροβιλισμοί ήταν πολύ αχνοί για να τους δούμε. Μόνο από τον Μάρτιο, όταν οι ερευνητές ισχυρίστηκαν ότι είδαν την άκρη του χώρου και του χρόνου με ένα φανταστικά ευαίσθητο τηλεσκόπιο, η σκόνη απαίτησε έναν απολογισμό. Γιατί, όπως ένα αυγό κούκου που μεταμφιέζεται στη φωλιά μιας τσούχας, το μοτίβο του μιμείται ένα προβλεπόμενο σήμα από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Τώρα, οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι το μοτίβο στροβιλισμού που διαφημίζεται ως απόδειξη αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων - κυματισμοί στο χώρο και τον χρόνο που χρονολογούνται από την εκρηκτική γέννηση του σύμπαντος - θα μπορούσαν να προέρχονται από μαγνητικά ευθυγραμμισμένη σκόνη. Μια νέα ανάλυση δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα μικροσκοπικά πυριτικά και ανθρακικά σωματίδια που εκτοξεύονται στο διαστρικό διάστημα από αστέρια που πεθαίνουν θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν έως και το 100 τοις εκατό του σήματος που ανιχνεύθηκε από το τηλεσκόπιο BICEP2 και ανακοινώθηκε σε μεγάλη θαυμάσια αυτή την άνοιξη.

Η ανάλυση Planck είναι «σχετικά οριστική καθώς δεν μπορούμε να αποκλείσουμε ότι το σύνολο του σήματος μας προέρχεται από σκόνη», δήλωσε ο Brian Keating, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο και μέλος της συνεργασίας BICEP2.

"Ήμασταν, φυσικά, απογοητευμένοι", δήλωσε το μέλος της ομάδας Planck Jonathan Aumont από το Université Paris-Sud.

Η νέα ανάλυση σκόνης αφήνει ανοιχτή την πιθανότητα ότι μέρος του σήματος BICEP2 προέρχεται από αρχέγονα βαρυτικά κύματα, τα οποία είναι τα πολυπόθητα δακτυλικά αποτυπώματα μιας κορυφαίας θεωρίας του Big Bang που ονομάζεται «πληθωρισμός». Εάν το σύμπαν ξεκίνησε με αυτή τη σύντομη περίοδο εκθετικής διαστολής, όπως πρότεινε ο κοσμολόγος Άλαν Γκουθ το 1980, τότε κυματισμοί κβαντικού μεγέθους θα είχαν εκταθεί σε τεράστιους, μόνιμους κυματισμούς στον ιστό του σύμπαντος. Αυτά τα βαρυτικά κύματα θα είχαν σφραγίσει ένα μοτίβο στροβιλισμού, που ονομάζεται πόλωση «B-mode», στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το παλαιότερο φως που μπορεί να ανιχνευθεί τώρα στον ουρανό.

Αλλά προσέξτε τον κούκο.

Σε μια πολυδιαφημισμένη συνέντευξη Τύπου στις 17 Μαρτίου, ο επικεφαλής της ομάδας BICEP2, John Kovac του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ανακοίνωσε ότι το τηλεσκόπιο της ομάδας με βάση το Νότιο Πόλο είχε βρει στοιχεία για λειτουργίες Β που «ταίριαζαν πολύ με το προβλεπόμενο μοτίβο» των αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων. Αφού εξέτασε μια περιοχή του διαστήματος μακριά από το σκονισμένο επίπεδο του γαλαξία - «το πιο καθαρό κομμάτι του ουρανού στο οποίο μπορούμε να εκπαιδεύσουμε το τηλεσκόπιό μας», είπε ο Kovac - και μέτρησε την πόλωση των εισερχόμενων μικροκυμάτων με 12 φορές μεγαλύτερη ευαισθησία από οποιοδήποτε προηγούμενο πείραμα, αυτός και οι συνάδελφοί του ήταν πεπεισμένοι ότι είχαν εντοπίσει αποδείξεις φουσκώματος.

Αλλά τους μήνες μετά την ανακοίνωση, εξωτερικοί ειδικοί φώναξαν άσχημα, υποστηρίζοντας ότι οι επιστήμονες είχαν χρησιμοποιήσει εξαιρετικά αβέβαια μοντέλα εκπομπής γαλαξιακής σκόνης που τώρα φαίνεται να έχουν υποτιμήσει τη μόλυνση σκόνης στην περιοχή BICEP2. «Η κοινότητα στο σύνολό της το υποτίμησε», είπε ο Avi Loeb, θεωρητικός στο Χάρβαρντ που δεν συνδέεται με το BICEP2.

Αν το τηλεσκόπιο BICEP2 ήταν ικανό να ανιχνεύει λειτουργίες Β σε πολλαπλές συχνότητες μικροκυμάτων, οι επιστήμονες θα μπορούσαν εύκολα να διακρίνουν μεταξύ του φωτός από τους κόκκους διαστρικής σκόνης και του πιο αρχαίου φωτός που αναζητούσαν. Και οι δύο πηγές φωτός γίνονται πιο φωτεινές σε υψηλότερες συχνότητες, αλλά οι εκπομπές σκόνης φωτίζονται πιο δραματικά. Σχεδιάζοντας την ισχύ του σήματος B-mode ως συνάρτηση της συχνότητας, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να προσδιορίσουν εάν η καμπύλη έμοιαζε με τη ρηχή άνοδο του κοσμικού μικροκυματικού φόντου ή με την πιο απότομη άνοδο του φωτός της σκόνης.

Αντ 'αυτού, η ομάδα επέλεξε τη μέγιστη ευαισθησία και σχεδίασε τους ανιχνευτές της να λαμβάνουν μια ενιαία συχνότητα:150 gigahertz. "Αυτή ήταν η αχίλλειος πτέρνα του πειράματος", είπε ο Loeb.

Με τις υψηλότερες συχνότητες να κατακλύζονται από την εκπομπή σκόνης και τις χαμηλότερες συχνότητες από ένα άλλο «πρώτο πλάνο» που ονομάζεται ακτινοβολία σύγχροτρον, 150 gigahertz κάθονταν σε ένα γλυκό σημείο με ελάχιστη μόλυνση. Αλλά ένα μόνο σημείο δεδομένων μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε καμπύλη.

Ανίκανοι να προσδιορίσουν άμεσα το κλάσμα του σήματος τους που προερχόταν από τη σκόνη, οι επιστήμονες βασίστηκαν σε υπάρχοντα μοντέλα μόλυνσης στο κομμάτι του ουρανού - συμπεριλαμβανομένων των δεδομένων που είχαν εξαχθεί εσφαλμένα από έναν προκαταρκτικό χάρτη σκόνης στη διαφάνεια PowerPoint ενός επιστήμονα Planck - και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η σκόνη δεν μπορούσε να αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ένα σήμα τους. Αφού μια ομάδα με επικεφαλής τον Raphael Flauger, τώρα του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon, επεσήμανε σφάλματα και η ομάδα Planck δημοσίευσε καλύτερες (αν και ακόμα προκαταρκτικές) εκτιμήσεις σκόνης, ο Kovac και η ομάδα του αναθεώρησαν το έγγραφό τους και αντιστάθμισαν τον ισχυρισμό τους για μια σημαντική ανακάλυψη.

«Θα έπρεπε να ήταν πολύ πιο προσεκτικοί στην αρχική τους παρουσίαση», είπε ο Lyman Page, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. "Δεν θα έπρεπε να έχουν ισχυριστεί ότι μετρούν έναν αρχέγονο τρόπο λειτουργίας B, επειδή η αβεβαιότητα σε πρώτο πλάνο είναι και ήταν απλώς πολύ μεγάλη."

Χρειάζονταν πολλαπλές συχνότητες. Από το 2009 έως το 2013, το τηλεσκόπιο στο διαστημικό σκάφος Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας μέτρησε την πόλωση σε όλο τον ουρανό σε επτά διαφορετικές συχνότητες μικροκυμάτων, αν και σε οποιοδήποτε δεδομένο έμπλαστρο είναι περίπου 100 φορές λιγότερο ευαίσθητα από το BICEP2. Στη νέα τους ανάλυση, οι επιστήμονες του Planck χώρισαν τον ουρανό σε μπαλώματα στο μέγεθος της περιοχής παρατήρησης BICEP2 και υπολόγισαν την ποσότητα πόλωσης B-mode που υπάρχει σε κάθε έμπλαστρο στα 353 gigahertz, μια υψηλή συχνότητα όπου η εκπομπή σκόνης κυριαρχεί στο σήμα. Μερικά από τα άλλα έμπλαστρα ανέδιδαν μόνο τη μισή ποσότητα φωτός σκόνης από το έμπλαστρο BICEP2, καθιστώντας το, σύμφωνα με τα λόγια του Keating, «μη τσιριχτό».

Ο χάρτης πλήρους ουρανού του Planck δείχνει την προβλεπόμενη μόλυνση σκόνης στα 150 GHz, που προκύπτει από τα δεδομένα των 353 GHz, με τις καθαρότερες περιοχές να εμφανίζονται με μπλε και τις πιο σκονισμένες με κόκκινο. Το βόρειο γαλαξιακό ημισφαίριο εμφανίζεται στα αριστερά και το νότιο ημισφαίριο στα δεξιά, με ένα μαύρο περίγραμμα που σκιαγραφεί την κατά προσέγγιση περιοχή παρατήρησης BICEP2.

Συνεργασία Planck

Το τηλεσκόπιο Planck δεν είχε την ευαισθησία για να ανιχνεύσει τις αμυδρές λειτουργίες B στα 150 gigahertz όπως φαίνεται από το BICEP2, αλλά γνωρίζοντας κατά προσέγγιση πώς η εκπομπή σκόνης ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα, οι επιστήμονες έκαναν παρέκταση από την τιμή της στα 353 gigahertz. Υπολόγισαν ότι η υπερβολική εκπομπή σκόνης θα παρήγαγε πόλωση τύπου B τόσο ισχυρή όσο το σήμα που ανιχνεύεται από το BICEP2, δίνοντας ή έπαιρνε περίπου το ένα τρίτο αυτής της ισχύος.

«Περισσότερο ή λιγότερο υπέθεσαν ότι θα μπορούσαν να βρουν ένα κομμάτι του ουρανού με χαμηλή εκπομπή σκόνης», είπε ο Ντάγκλας Σκοτ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας που συμμετείχε σε μεγάλο βαθμό στη νέα ανάλυση. "Και το αποτέλεσμα Planck δείχνει ότι δεν υπάρχει μέρος του ουρανού όπου μπορείτε να αγνοήσετε τη σκόνη."

Το πόσο ακριβώς από τη συνολική πόλωση B-mode προέρχεται από αρχέγονα βαρυτικά κύματα, εάν υπάρχουν, θα είναι θέμα εντατικής συνεχούς ανάλυσης. Εάν υπάρχει ένα αρχέγονο σήμα, η ισχύς του, ποσοτικοποιείται από μια παράμετρο που ονομάζεται r, θα αποκαλύψει την ποσότητα ενέργειας που εμποτίζει τον χωροχρόνο και τον απομακρύνει κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Η ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού θα ήταν μια σημαντική ένδειξη για το γιατί συνέβη.

«Δεν μπορώ να υπερτονίσω πόσο ενδιαφέρον είναι αυτό», είπε η θεωρητική για τον πληθωρισμό από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, Eva Silverstein, σχετικά με τις πιθανές τιμές του r κατά τη διάρκεια πρόσφατης ομιλίας στο Σικάγο. Οι θεωρητικοί όπως ο Silverstein θέλουν οι περισσότεροι να μάθουν εάν το r είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από 0,01, το σημείο διασταύρωσης μεταξύ των κατηγοριών που ονομάζονται πληθωρισμός μεγάλου και μικρού πεδίου. Το πρώτο θα αποκάλυπτε λεπτομέρειες μιας συνολικής θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας.

Ενώ η αρχική ανάλυση BICEP2 προσδέθηκε r στο 0,2, που αντιστοιχεί σε ορισμένα πληθωριστικά μοντέλα μεγάλων πεδίων, η μελέτη Planck μειώνει την τιμή του πολύ πιο κοντά στο 0. Εάν τα κύματα είναι καθόλου ανιχνεύσιμα, θα χρειαστεί ένα πολύ πιο ισχυρό τηλεσκόπιο από το BICEP2 για να τα αντιληφθεί πίσω από τη στροβιλιζόμενη ομίχλη της γαλαξιακής σκόνης. Ήδη, τουλάχιστον 10 υπάρχοντα ή προγραμματισμένα πειράματα έχουν επαρκή ευαισθησία για να ανιχνεύσουν λειτουργίες B πιο αδύναμες από το r =0,1. Το Κοσμολογικό Τηλεσκόπιο Atacama, το Τηλεσκόπιο Νότιου Πόλου και η συνδυασμένη Συστοιχία BICEP/Keck θα πρέπει όλα να μπορούν να μετρούν λειτουργίες Β από βαρυτικά κύματα εντός δύο έως τριών ετών, εάν το σήμα είναι μεγαλύτερο από r =0,01. Ένα όργανο με μπαλόνι που ονομάζεται SPIDER θα επιτύχει τελικά παρόμοια ευαισθησία.

Για τους επικριτές της ιδέας του πληθωρισμού, η αυξημένη ευαισθησία αυτών των πειραμάτων μπορεί να είναι ελάχιστη παρηγοριά. Η θεωρία είναι αρκετά ευέλικτη ώστε να επιβιώσει ακόμα κι αν δεν βρεθούν αρχέγονοι τρόποι B, καθιστώντας σχεδόν αδύνατο να παραποιηθεί.

«Υπάρχουν πολλά μοντέλα με r τόσο μικρό που απλά δεν θα το έβλεπες με αυτά τα πειράματα», είπε ο Flauger, ο οποίος βοήθησε στην ανάπτυξη ενός ελεγχόμενου μοντέλου της θεωρίας χορδών του πληθωρισμού, με r =0,07, με τον Silverstein και άλλους.

Ο πληθωρισμός θα παραμείνει η κορυφαία θεωρία του Big Bang ακόμα κι αν ολόκληρο το σήμα BICEP2 ξεθωριάζει σε σκόνη, δήλωσε ο Mark Trodden, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Εξηγεί την ομαλότητα και την ομοιομορφία του σύμπαντος και δίνει έναν μηχανισμό για το σχηματισμό δομής, εξήγησε — «αλλά όλα αυτά τα στοιχεία είναι άκρως περιστασιακά».

Η επιβεβαίωση των αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων θα είχε κλειδώσει τη θεωρία, επιλύοντας μια για πάντα την εικόνα της αρχής του χρόνου. Τώρα, "η κριτική επιτροπή είναι ακόμα εκτός", είπε ο Keating.

Μια κοινή ανάλυση δεδομένων από το Planck και το BICEP2, που αναμένεται να εμφανιστεί τον Νοέμβριο, θα μπορούσε να προσδιορίσει εάν τυχόν αρχέγονοι τρόποι λειτουργίας B αναμειγνύονται με τη σκόνη που στροβιλίζεται σε αυτό το καθαρό, αλλά όχι πολύ καθαρό, κομμάτι του ουρανού πάνω από τον Νότιο Πόλο. Με τη συνεργασία, είπε ο Kovac, οι ομάδες θα πρέπει να είναι σε θέση να θέσουν ένα νέο ανώτατο όριο στην τιμή του r — μια διαβεβαίωση ότι τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα πρέπει να είναι πιο αδύναμα από μια ορισμένη ισχύ, αν υπάρχουν καθόλου — ότι «στηρίζεται σε δεδομένα, όχι σε μοντέλα» μόλυνσης από σκόνη.

«Μπορώ να υποσχεθώ ότι προσεγγίζουμε την ανάλυση με μια εντελώς αμερόληπτη στάση», είπε ο Κόβατς. "Είμαστε τόσο πρόθυμοι όσο όλοι οι άλλοι να δούμε τις αβεβαιότητες να μειώνονται εδώ, όποια και αν είναι η τελική απάντηση."

Η επιτυχία του BICEP2, είπε ο Loeb, ήταν η αύξηση της ευαισθησίας κατά τάξη μεγέθους σε σύγκριση με προηγούμενα πειράματα. «Σίγουρα εντόπισαν κάτι», είπε. "Η σημασία αυτού εξαρτάται από την ερμηνεία. Αν είναι σκόνη, δεν έχει καμία απολύτως κοσμολογική σημασία."

Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε στις 22 Σεπτεμβρίου 2014, με πρόσθετες λεπτομέρειες και αργότερα ανατυπώθηκε στο Wired.com.