Big Bang Gravitational Waves:Επιστήμονες ανακοινώνουν πιθανή ανακάλυψη
Στα μέσα Μαρτίου, μια ομάδα τεσσάρων αστροφυσικών που εργάζονταν σε ένα πείραμα για την ανίχνευση των πρώτων στιγμών του χρόνου διοργάνωσαν μια έκτακτη συνέντευξη Τύπου στο Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν (CfA) στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης. Δημοσίευσαν στο Διαδίκτυο μια εργασία χωρίς αξιολόγηση από ομοτίμους που διακήρυξε την αρχή μιας «νέας εποχής» στην κοσμολογία.
Μοιράστηκαν τα φώτα της δημοσιότητας στη συνέντευξη Τύπου ο Andrei Linde και ο Alan Guth, δύο θεωρητικοί φυσικοί που έχουν αναπτύξει θεμελιώδεις θεωρίες για το πώς το σύμπαν μας φουσκώθηκε γρήγορα κατά τη γέννησή του. Τα νέα αποτελέσματα επικύρωσαν αυτές τις θεωρίες — ή έτσι φαινόταν.
Το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και η CfA διένειμαν δελτία τύπου αποκαλώντας την ανακάλυψη «όπλο που καπνίζει» δείχνοντας ότι η θεωρία του πληθωρισμού είναι αληθινή, μια φράση που εμφανίστηκε σε διεθνείς τίτλους σχετικά με τα ευρήματα. Ένα σύντομο βίντεο του ερευνητή του Στάνφορντ Chao-Lin Kuo που περπατά στο δρόμο της Linde για να μοιραστεί τα νέα της ανακάλυψης προβλήθηκε από εκατομμύρια. Χαμογελαστοί φυσικοί και κοσμολόγοι σχεδόν χόρεψαν με ενθουσιασμό σε συνεντεύξεις στα μέσα ενημέρωσης.
Οι περισσότεροι από αυτούς πρόσεχαν να επισημάνουν ότι ο επαναστατικός ισχυρισμός των επιστημόνων που συμμετείχαν στο πείραμα, οι οποίοι χρησιμοποίησαν το τηλεσκόπιο BICEP2 (για την απεικόνιση υποβάθρου της κοσμικής εξωγαλαξιακής πόλωσης, δεύτερη γενιά), πρέπει να επιβεβαιωθεί από πρόσθετα πειράματα που θα μπορούσαν να αποκλείσουν εναλλακτικές εξηγήσεις. Επειδή όμως το πολύ τεχνικό έγγραφο του BICEP2 υποστήριξε ότι η πιθανότητα να είναι ψευδές το σήμα του βαρυτικού κύματος ήταν πολύ χαμηλή, η ανακάλυψη φαινόταν σαν μια ολοκληρωμένη υπόθεση για τους περισσότερους ανθρώπους.
Όχι όμως στον Ντέιβιντ Σπέργκελ. Ο Σπέργκελ κέρδισε τις ρίγες του στην αστροφυσική ως μέλος της ομάδας στο Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ένα ραδιοτηλεσκόπιο που εκτοξεύτηκε σε τροχιά το 2001. Οι μετρήσεις του δορυφόρου για τη μικροκυματική λάμψη της Μεγάλης Έκρηξης εντόπισαν την ηλικία του διαστελλόμενου σύμπαντός μας (13,77 τοις εκατό της συνηθισμένης ύλης του) (13,77 δισεκατομμύρια χρόνια). συνολικά) στη σκοτεινή ύλη (24 τοις εκατό) και στη σκοτεινή ενέργεια (71,4 τοις εκατό). (Τα δεδομένα του δορυφόρου Planck αναθεώρησαν έκτοτε την ηλικία πιο κοντά στα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια και τα ποσοστά της συνηθισμένης ύλης, της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας σε 4,9, 26,8 και 68,3, αντίστοιχα.)
Ο Σπέργκελ συμμετέχει σε πολλά άλλα πειράματα που αναζητούν στοιχεία βαρυτικών κυμάτων από τη Μεγάλη Έκρηξη. Δεν είναι μέλος του BICEP2, το οποίο μετρά επίσης το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), αλλά είχε δώσει διαλέξεις σχετικά με αυτό στους μαθητές του στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Διαβάζοντας το έγγραφο BICEP2 στο τρένο, εντόπισε σοβαρά προβλήματα στην ερμηνεία των δεδομένων, ειδικά υπό το φως των νέων μετρήσεων CMB που δημοσιεύθηκαν μετά την ανακοίνωση του BICEP2. Στα τέλη Μαΐου, ο Σπέργκελ συνεργάστηκε με τον Ράφαελ Φλάουγκερ, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης και το Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον της Νέας Υόρκης, και τον Τζ. Κόλιν Χιλ, μεταπτυχιακό φοιτητή του Πανεπιστημίου Πρίνστον, για να συν-δημοσίευση μια κριτική στα αποτελέσματα της ομάδας BICEP2. Οι τρεις τους κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπήρχε μεγάλη πιθανότητα ότι το σήμα θα μπορούσε να είχε δημιουργηθεί από κοσμική σκόνη στο γαλαξιακό προσκήνιο και όχι από βαρυτικά κύματα. Συμμετείχαν και άλλοι κοσμολόγοι, συμπεριλαμβανομένων των Michael J. Mortonson και Uroš Seljak από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, οι οποίοι έγραψαν τη δική τους κριτική εργασία, καταλήγοντας:«Είναι πολύ νωρίς λοιπόν να γιορτάσουμε τα αποτελέσματα του BICEP2 ως οριστική απόδειξη του πληθωρισμού».
Οι αστροφυσικοί του BICEP2 θα έπρεπε να ήταν πιο προσεκτικοί.
Στις 20 Ιουνίου, η Physical Review Letters δημοσίευσε μια αναθεωρημένη έκδοση της αρχικής εργασίας του BICEP2. Σε αυτή τη νέα εργασία οι αστροφυσικοί προσδιόρισαν σοβαρά την ερμηνεία των βαρυτικών κυμάτων τους. Το πιο σημαντικό είναι ότι διέγραψαν αναφορές σε δεδομένα σχετικά με τη σκόνη που ελήφθησαν από μια αδημοσίευτη παρουσίαση που έγινε από επιστήμονες από το διαστημικό παρατηρητήριο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, το οποίο έκανε παρόμοια έρευνα. Επίσης, ενσωμάτωσαν δεδομένα Planck σχετικά με τη σκόνη που δεν ήταν διαθέσιμα όταν δημοσίευσαν την πρώτη έκδοση της εφημερίδας. Με υποσημειωμένα νεύματα προς τον Σπέργκελ και τους συναδέλφους του, οι επιστήμονες του BICEP2 αναγνώρισαν ότι δεν μπορούσαν πλέον να «αποκλείσουν την πιθανότητα εκπομπής σκόνης αρκετά φωτεινή ώστε να εξηγεί ολόκληρο το υπερβολικό σήμα».
Στα μέσα Ιουνίου, το Quanta Magazine κάθισε με τον Σπέργκελ για να μιλήσει για τη διαμάχη του BICEP2. Αυτή είναι μια συνοπτική και επεξεργασμένη έκδοση αυτής της συνομιλίας.
QUANTA MAGAZINE:Είστε κορυφαίος επικριτής του ισχυρισμού της ομάδας BICEP2 ότι ανακάλυψε την ύπαρξη αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων. Γιατί;
DAVID SPERGEL:Οι αστροφυσικοί του BICEP2 θα έπρεπε να ήταν πιο προσεκτικοί. Τα στοιχεία που έχουν αναφέρει αποτυγχάνουν να με πείσουν ότι το σήμα που ερμηνεύουν ότι προκαλείται από βαρυτικά κύματα δεν προκαλείται στην πραγματικότητα από γαλαξιακή σκόνη.
Ο Τύπος αντέδρασε υπερβολικά;
Δεν κατηγορώ τον Τύπο που ασχολήθηκε με την ιστορία του όπλου καπνίσματος, αλλά κατηγορώ τους επιστήμονες του έργου BICEP2 για υπερβολή, για ισχυρισμούς που δεν υποστηρίζονται πλήρως από τα δικά τους δεδομένα.
Σας ικανοποιεί η τροποποίηση του BICEP2 στον ισχυρισμό του για όπλο καπνίσματος στην αναθεωρημένη εργασία που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters;
Το αναθεωρημένο έγγραφο εξακολουθεί να χρησιμοποιεί μη ρεαλιστικά μοντέλα στο προσκήνιο που πολύ πιθανόν να υποτιμούν την ισχύ του σήματος σκόνης. Αλλά είναι θετικό σημάδι ότι τα μέλη της ομάδας αναγνωρίζουν πλέον ότι δεν μπορούν πλέον να αποκλείσουν την πιθανότητα ότι το σήμα βαρυτικών κυμάτων τους είναι ψευδές.
Τα έγγραφα BICEP2 είναι εξαιρετικά τεχνικά. Στη συνηθισμένη γλώσσα, γιατί είναι σημαντική η πόλωση;
Το φως μπορεί να περιγραφεί ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ως σωματίδιο, φωτόνιο. Το άμεσο ηλιακό φως είναι μη πολωμένο — τα φωτόνια διασκορπίζονται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις. Αλλά όταν ένα φωτόνιο αναπηδά από μια επιφάνεια, όπως το νερό ή έναν καθρέφτη, το σκεδαζόμενο κύμα φωτός περιορίζεται να ταλαντώνεται πάνω και κάτω ή από αριστερά προς τα δεξιά σε σχέση με το επίπεδο διαδρομής του. Αυτό είναι πόλωση.
Βλέπουμε πολωμένο φως στην καθημερινή ζωή:Στην παραλία μια μουντή μέρα, πολωμένα γυαλιά ηλίου φιλτράρουν την πολωμένη λάμψη από τα διασκορπισμένα στο νερό φωτόνια, έτσι ώστε να μπορούμε να βλέπουμε καλύτερα το περιβάλλον μας.
Στην αστροφυσική, τα ραδιοτηλεσκόπια μετρούν την πόλωση των κοσμικών μικροκυμάτων, τα οποία είναι φωτόνια που ταξιδεύουν προς το μέρος μας για περισσότερα από 13 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα μοτίβα πόλωσης που δημιουργούνται καθώς τα όργανά μας μετρούν τις ιδιότητες αυτών των φωτονίων μπορούν να αποκαλύψουν την προηγούμενη παρουσία βαρυτικών κυμάτων.
WMAP τριετής εικόνα του βρεφικού σύμπαντος. Τα χρώματα υποδηλώνουν «πιο ζεστά» (κόκκινο) και «πιο ψυχρά» (μπλε) σημεία. Οι λευκές ράβδοι δείχνουν την κατεύθυνση «πόλωσης» του παλαιότερου φωτός.
Επιστημονική Ομάδα NASA / WMAP
Τι είναι το βαρυτικό κύμα;
Ένα βαρυτικό κύμα είναι μια παραμόρφωση στον ιστό του χωροχρόνου. Τα κύματα διαδίδονται με τρόπο παρόμοιο με τα κύματα του νερού, τα οποία κυματίζουν ομόκεντρα μακριά από έναν βράχο που έχει πεταχτεί σε μια λίμνη. Τα συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων πιστεύεται ότι εκπέμπουν μεγάλα βαρυτικά κύματα, αλλά είναι τόσο ενεργειακά αδύναμα που δεν έχουμε βρει ακόμα ένα πειραματικά. Ωστόσο, εάν η θεωρία του πληθωρισμού είναι αληθινή, κατά τη μικροστιγμή του πληθωρισμού μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν επεκτάθηκε εκθετικά, ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, οδηγούμενο από μια έκρηξη απίστευτα υψηλής ενέργειας.
Κατά τη διάρκεια αυτού του τρισεκατομμυρίου του τρισεκατομμυρίου του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου, οι κβαντομηχανικές διακυμάνσεις του χωροχρόνου δημιούργησαν γκραβιτόνια, βαρυτικούς κυματισμούς στο χωροχρόνο. Αυτά τα μικροσκοπικά κύματα επεκτάθηκαν σταδιακά σε εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός σε διάμετρο καθώς το διαστελλόμενο, χωρίς φως σύμπαν ψύχθηκε μετά την εξαιρετικά καυτή στιγμή του πληθωρισμού.
Και τότε, ξαφνικά, ήρθε φως:Στην «επιφάνεια της τελευταίας σκέδασης», που εμφανίστηκε περίπου 380.000 χρόνια μετά το τέλος του πληθωρισμού, τα φωτόνια αφέθηκαν ελεύθερα να ταξιδέψουν προς όλες τις κατευθύνσεις. Και εδώ είναι το κόλπο:Τα βαρυτικά κύματα μετακινούν ηλεκτρόνια γύρω. Μερικά από τα φωτόνια αναπήδησαν από ηλεκτρόνια που κινούνταν γύρω από βαρυτικά κύματα που είχαν δημιουργηθεί κβαντομηχανικά κατά τη διάρκεια του φουσκώματος και είχαν γίνει κλασικά αντικείμενα.
Η θεωρία είναι ότι αυτά τα φωτόνια παρήγαγαν ένα καμπυλωτό μοτίβο πόλωσης, που ονομάζεται λειτουργία Β, που συνδέεται αιτιακά με το τι συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά με ένα βαρυτικό κύμα.
Οι αστροφυσικοί έχουν προβλέψει ότι αυτό το μοτίβο πόλωσης τύπου Β καταγράφεται τόσο αχνά στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Το μοτίβο πόλωσης που ανίχνευσε το BICEP2 στο CMB θα μπορούσε ουσιαστικά να είναι ένα στιγμιότυπο αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων.
Ή, θα μπορούσε να είναι ένα μοτίβο που παράγεται από φωτόνια που πολώνονται με τη διασπορά κηλίδων σκόνης πυριτίου που επιπλέουν γύρω από τον Γαλαξία μας, ένα νεότερο μοτίβο τύπου Β που είναι πανομοιότυπο με το μοτίβο 13,8 δισεκατομμυρίων ετών.
Γιατί είναι τόσο μεγάλη υπόθεση η εύρεση στοιχείων βαρυτικών κυμάτων;
Η ανακάλυψη της παρουσίας αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων ανοίγει ένα παράθυρο στο είδος της φυσικής που συνέβη 10-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη σε ενεργειακή κλίμακα που είναι ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από το ενεργειακό καθεστώς που μπορεί να διερευνηθεί από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Στην πραγματικότητα, θα βλέπαμε την κίνηση των γραβιτονίων — κβαντισμένη βαρύτητα.
Και αυτό θα σήμαινε ότι η θεωρία του πληθωρισμού είναι αποδεδειγμένα αληθινή;
Τι σημαίνει η απόδειξη μιας θεωρίας; Κυρίως διαψεύδουμε πράγματα. Ο πληθωρισμός είναι ένα σενάριο περισσότερο από μια θεωρία, γιατί υπάρχουν τόσες πολλές εκδοχές του. Το σενάριο του πληθωρισμού κάνει προβλέψεις που έχουν επαληθευτεί από πειράματα, και αυτό είναι υπέροχο. Η άποψή μου, ωστόσο, είναι ότι ενώ ο πληθωρισμός μας οδηγεί στη σωστή κατεύθυνση, δεν είναι η τελική θεωρία.
Τούτου λεχθέντος, εάν το σήμα B-mode χωρίς σκόνη είναι τόσο μεγάλο όσο ισχυρίζονται οι ερευνητές του BICEP2, απαιτεί την ύπαρξη πληθωρισμού μεγάλου πεδίου σε ενεργειακή κλίμακα που ενώνει τις σφαίρες της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας. Η ύπαρξη ισχυρών βαρυτικών κυμάτων θα απέκλειε πολλές ανταγωνιστικές θεωρίες κβαντικής βαρύτητας και θα έδειχνε τη σωστή πορεία προς τα εμπρός.
Τα μέλη της ομάδας BICEP2 ανέλυσαν εσφαλμένα τα δεδομένα Planck.
Ποιο είναι το πρόβλημα με την ερμηνεία των δικών τους δεδομένων από τους ερευνητές του BICEP2;
Η πειραματική δυσκολία έγκειται στον προσδιορισμό της ποσότητας ενός σήματος B-mode είναι σκόνη και άλλοι πιθανοί μολυσματικοί παράγοντες δεδομένων. Αφαιρέστε αυτές τις ποσότητες από το συνολικό σήμα B-mode και το υπόλοιπο, εάν υπάρχει, οφείλεται σε αρχαία βαρυτικά κύματα. Το BICEP2 έκανε μια πολύ ευαίσθητη μέτρηση του ουρανού σε μία μόνο ραδιοσυχνότητα, 150 GHz. Με μία μόνο ένδειξη συχνότητας, δεν μπορούμε να πούμε εάν το σήμα B-mode προκαλείται από γαλαξιακή σκόνη ή από βαρυτικά κύματα. Χρειαζόμαστε δεδομένα πολλαπλών συχνοτήτων.
Γιατί το BICEP2 περιόρισε την αναζήτηση σε μία συχνότητα;
Αποδεικνύεται ότι τα 150 GHz είναι η συχνότητα στην οποία μπορούμε να κατασκευάσουμε τους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές. Αυτή η προσέγγιση είναι μια χαρά, αλλά πρέπει επίσης να εξερευνήσουμε μια σειρά υψηλότερων και χαμηλότερων συχνοτήτων για να επιβεβαιώσουμε την προέλευση του μοτίβου B-mode. Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί σήματος προς θόρυβο για την επιλογή συχνοτήτων με δυνατότητα αναζήτησης για επίγεια τηλεσκόπια. Στο επίπεδο του εδάφους, το οξυγόνο εκπέμπει ραδιοφωνικό θόρυβο στα 60 GHz και το νερό είναι δυνατό στα 120 GHz, για παράδειγμα.
Είναι τα διαστημικά τηλεσκόπια, όπως ο δορυφόρος Planck, καλύτερα εξοπλισμένα για την εύρεση μοτίβων πόλωσης τύπου Β που προκαλούνται από βαρύτητα;
Οι επίγειοι ανιχνευτές είναι πιο προηγμένοι τεχνολογικά από τα διαστημικά τηλεσκόπια, επειδή ο σχεδιασμός για τα διαστημικά όργανα πρέπει να παγώσει πέντε ή έξι χρόνια πριν από την εκτόξευση. Αλλά ο χώρος είναι ένα πολύ πιο καθαρό περιβάλλον από το υποατμοσφαιρικό. Δεν υπάρχουν ανησυχίες σχετικά με τα σήματα οξυγόνου και νερού που μολύνουν τα δεδομένα και περιορίζουν τη χρήση ορισμένων συχνοτήτων. Τα διαστημικά τηλεσκόπια μπορούν να αναζητήσουν μεγαλύτερες περιοχές του ουρανού, αλλά είναι πολύ πιο ακριβά στη λειτουργία τους. Είναι μια αντιστάθμιση, αλλά χρειαζόμαστε δεδομένα τόσο από το έδαφος όσο και από το διάστημα για να παράγουμε μέγιστη κάλυψη.
Μπορεί ο Planck να προσδιορίσει εάν το προτεινόμενο σήμα βαρυτικού κύματος του BICEP2 είναι το πραγματικό;
Η σκόνη είναι πολύ πιο φωτεινή σε υψηλότερες συχνότητες. Το Planck λειτουργεί σε κανάλι 353 GHz. Η σκόνη είναι 20 φορές πιο φωτεινή στα 353 GHz από ό,τι στα 150 GHz που αναζητά το BICEP2. Εάν ο Planck ανιχνεύσει μόνο ένα ασθενές σήμα από πολωμένη σκόνη στα 353 GHz, τότε θα έχουμε μεγαλύτερη εμπιστοσύνη στον ισχυρισμό του BICEP2 ότι ανακάλυψε βαρυτικά κύματα. Αλλά αν ο Planck παρατηρήσει μεγάλη πόλωση B-mode στα 353 GHz, τότε, δυστυχώς, το εύρημα του BICEP2 θα είναι πολωμένη σκόνη.
Μια από τις επικρίσεις για το BICEP2 είναι ότι οι ερευνητές έλαβαν υπόψη συνοπτικά δεδομένα σχετικά με τις κατανομές σκόνης που ελήφθησαν από μια διαφάνεια Planck που παρουσιάστηκε σε μια διάσκεψη πριν από ένα χρόνο.
Τα μέλη της ομάδας BICEP2 ανέλυσαν εσφαλμένα τα δεδομένα Planck. Ισχυρίστηκαν ότι υπάρχει μόνο μία πιθανότητα στο εκατομμύριο ότι η πόλωση της σκόνης θα μπορούσε να εξηγήσει το σήμα B-mode. Αυτό συμβαίνει επειδή παρερμήνευσαν τα συνοπτικά αποτελέσματα που εμφανίζονται στη διαφάνεια Planck.
Γιατί δεν χρησιμοποίησαν τα ακατέργαστα δεδομένα Planck;
Τα ανεπεξέργαστα δεδομένα του Planck δεν θα δημοσιοποιηθούν μέχρι το τέλος του έτους.
Ζητήσατε από τους επιστήμονες του BICEP2 πρόσβαση στα δεδομένα τους;
Ναι, αλλά αρνήθηκαν να το δημοσιεύσουν, λέγοντας ότι τα δεδομένα τους δεν είναι βαθμονομημένα.
Είναι κοινή πρακτική η διατήρηση τέτοιων δεδομένων;
Είναι καλό να κρατάτε μυστικά τα ακατέργαστα δεδομένα μέχρι να βαθμονομηθούν σωστά από επιστήμονες που κατανοούν τους περιορισμούς του οργάνου που συνέλεξε τα δεδομένα. Αλλά αν θέλετε να δημοσιεύσετε μια εργασία με βάση τα δεδομένα σας, τότε θα πρέπει να δημοσιοποιήσετε αυτά τα δεδομένα.
Πώς πιστεύετε ότι αυτή η διαμάχη θα επηρεάσει την αντίληψη του κοινού για το πώς λειτουργεί η επιστήμη;
Το αισιόδοξο σενάριο είναι ότι το κοινό θα πει, hey, αυτό είναι υπέροχο, βοηθάει την επιστήμη όταν οι άνθρωποι ελέγχουν ο ένας τα δεδομένα του άλλου. Εάν το λουκάνικο είναι καθαρά φτιαγμένο, ένα καλό εστιατόριο δεν θα πειράξει να έχει ένα παράθυρο στην κουζίνα. Η αρνητική πλευρά είναι, όπως παρατήρησε ένας από τους δεξιούς φίλους μου στο Facebook:Εάν οι επιστήμονες λαμβάνουν λάθος τα κύματα βαρύτητας, γιατί να τα πιστέψουμε για την υπερθέρμανση του πλανήτη;
Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 4 Ιουλίου 2014, για να αντικατοπτρίζει τον ρόλο του David Spergel ως θεωρητικού στην ομάδα WMAP. Δεν ήταν ο κύριος ερευνητής.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο ScientificAmerican.com.
