Βαρυτικά Κύματα από το Πρώιμο Σύμπαν:Ανακάλυψη BICEP2

Chao-Lin Kuo στον ερευνητικό σταθμό του Νότιου Πόλου όπου λειτούργησε το πείραμα BICEP2 από το 2010 έως το 2012.

Ευγενική προσφορά του Chao-Lin Kuo

Στις 17 Μαρτίου, μια ομάδα τεσσάρων αστροφυσικών πραγματοποίησε συνέντευξη Τύπου στο Κέντρο Αστροφυσικής Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης, για να ανακοινώσει ότι ανακάλυψαν χαρακτηριστικά στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB) που συμφωνούν με τα βαρυτικά κύματα από τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με τις προβλέψεις από τη θεωρία του πληθωρισμού δεκαετιών, δήλωσε ο συμμετέχων Chao-Lin Kuo του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, παρέχοντας την πρώτη άμεση απόδειξη ότι για μια απειροελάχιστη στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν μας επεκτάθηκε ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Ο Kuo είχε σχεδιάσει τους ευαίσθητους ανιχνευτές φωτονίων στο τηλεσκόπιο που είναι υπεύθυνοι για την ανακάλυψη. Για τρία χρόνια στην ψυχρή, ξηρή ατμόσφαιρα του Νότιου Πόλου, το τηλεσκόπιο Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2) συνέλεγε φωτόνια από το CMB, το υπόλειμμα της Μεγάλης Έκρηξης ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών. Πληροφορίες που περιγράφουν την ένταση και την πόλωση των φωτονίων που συλλαμβάνονται μεταδόθηκαν μέσω δορυφόρου σε μια διεθνή συνεργασία 47 ερευνητών που εργάζονται σε διάφορα ινστιτούτα. Σταδιακά, εμφανίστηκε ένα μοτίβο πολωμένου φωτός. Οι ερευνητές αρχικά ήταν απρόθυμοι να ερμηνεύσουν τα δεδομένα ως στοιχεία για αρχέγονα βαρυτικά κύματα. Προσπάθησαν να αποκλείσουν εναλλακτικές εξηγήσεις για το σήμα, συμπεριλαμβανομένης της πιθανότητας ότι το μοτίβο δεν είχε δημιουργηθεί από βαρυτικά κύματα αλλά από σκόνη στον Γαλαξία.

Με την πάροδο του χρόνου, ωστόσο, η ομάδα του BICEP2 πείστηκε ότι το σγουρό μοτίβο πόλωσης «B-mode» είχε δημιουργηθεί από κύματα βαρύτητας κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Ταυτόχρονα με τη συνέντευξη Τύπου, η ομάδα του BICEP2 κυκλοφόρησε ένα προεκτυπωμένο έγγραφο χωρίς αξιολόγηση από ομοτίμους που περιγράφει λεπτομερώς τις μεθόδους και τα αποτελέσματα του πειράματός τους, γράφοντας ότι «μια νέα εποχή της κοσμολογίας Β-τρόπου έχει ξεκινήσει». Το γραφείο δημοσίων υποθέσεων του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ παρήγαγε ένα βίντεο κλιπ του Kuo που μεταδίδει τα νέα για την ανακάλυψη σε έναν από τους εμπνευστές της θεωρίας του πληθωρισμού, τον Αντρέι Λίντε, φυσικό στο Στάνφορντ. Το συναισθηματικά συναρπαστικό βίντεο έγινε viral, συγκεντρώνοντας 2,8 εκατομμύρια προβολές στο YouTube από τη στιγμή που γράφεται αυτό το κείμενο.

Βίντεο:Ο επίκουρος καθηγητής Chao-Lin Kuo εκπλήσσει τον καθηγητή Andrei Linde με στοιχεία που υποστηρίζουν τη θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού. Η ανακάλυψη, που έγινε από τον Kuo και τους συναδέλφους του στο πείραμα BICEP2, αντιπροσωπεύει τις πρώτες εικόνες βαρυτικών κυμάτων ή κυματισμών στο χωροχρόνο. Αυτά τα κύματα έχουν περιγραφεί ως οι «πρώτοι σεισμοί του Big Bang».

Στάνφορντ

Ωστόσο, η ευφορία της ανακάλυψης δεν επρόκειτο να διαρκέσει:Τον Μάιο, το διαστημικό παρατηρητήριο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας δημοσίευσε χάρτες πόλωσης σκόνης CMB που υπονόμευσαν τον ισχυρισμό του BICEP2 ότι βρήκε βαρυτικά κύματα. Οι κοσμολόγοι δημοσίευσαν έγγραφα που κριτικάρουν τον ισχυρισμό BICEP2 με βάση ότι τα σήματα της λειτουργίας Β θα μπορούσαν να έχουν δημιουργηθεί από σκόνη πυριτίου που επιπλέει στο παρατηρητικό προσκήνιο του τηλεσκοπίου.

Στα μέσα Ιουνίου, η Physical Review Letters δημοσίευσε την αναθεωρημένη εργασία του BICEP2. Οι ερευνητές υποστήριξαν την ακρίβεια της ίδιας της μέτρησης, αλλά σημείωσαν ότι είναι πιθανό η γαλαξιακή σκόνη να ευθύνεται για αυτό που πίστευαν προηγουμένως ότι ήταν βαρυτικά κύματα.

Το Quanta Magazine συνάντησε τον Kuo σε ένα συνέδριο κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο λίγες μέρες πριν από τη δημοσίευση της αναθεωρημένης εργασίας. Αυτή είναι μια συνοπτική και επεξεργασμένη έκδοση αυτής της συνομιλίας και μια συνέχεια μέσω email.

QUANTA MAGAZINE:Ποιος είναι ο ρόλος σας με το BICEP2;

CHAO-LIN KUO:Σχεδίασα την τεχνολογία υπεραγώγιμης κεραίας και επέβλεψα την κατασκευή του τηλεσκοπίου στο Εργαστήριο Jet Propulsion. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνολογία, δημιουργήσαμε ένα όργανο ικανό να ανιχνεύει την ύπαρξη αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων. Και τώρα έχουμε βελτιώσει σημαντικά την ευαισθησία του BICEP2 κατασκευάζοντας το Keck Array, ένα πρόσθετο τηλεσκόπιο, το οποίο αναπτύσσεται δίπλα στο BICEP2. Εργαζόμαστε επίσης σε ένα τηλεσκόπιο επόμενης γενιάς που ονομάζεται BICEP3. Η διάταξη Keck και το BICEP3 θα συνεχίσουν την αναζήτηση για βαρυτικά κύματα από εκεί που σταμάτησε το BICEP2.

Είμαι πειραματιστής του οποίου η δουλειά είναι να κάνει μετρήσεις και να αφήνει τα θεωρητικά τσιπ να πέφτουν όπου μπορούν.

Στο βίντεο του YouTube που έγινε viral, λέτε τη φράση "r =0,2" στον Αντρέι Λίντε και είναι πανευτυχής. Ποιο είναι το νόημα αυτής της εξίσωσης;

Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν ότι μπορούμε να αναζητήσουμε βαρυτικά κύματα απευθείας κοιτάζοντας την κατάσταση πόλωσης του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου. Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο BICEP2, μας πήρε τρία χρόνια για να χαρτογραφήσουμε την πόλωση σε μια μικρή περιοχή του ουρανού στο Νότιο Πόλο. Για να μην γίνουμε πολύ τεχνικοί, αλλά η πόλωση του CMB καταλήγει στην εύρεση δύο διαφορετικών τύπων μοτίβων που ονομάζονται E-modes και B-modes.

Διαπιστώσαμε ότι το 20 τοις εκατό της πόλωσης του υποβάθρου μικροκυμάτων που παρατηρήσαμε είναι η λειτουργία B, η οποία μπορεί να προκληθεί από βαρυτικά κύματα ή από γαλαξιακή σκόνη και άλλες πηγές. Χρησιμοποιώντας διαθέσιμους χάρτες σκόνης από άλλα πειράματα CMB, απορρίψαμε την πιθανότητα ότι η γαλαξιακή σκόνη ή άλλες πηγές προκάλεσαν το μεγαλύτερο μέρος των σημάτων της λειτουργίας Β που παρατηρήσαμε, αφήνοντας τα βαρυτικά κύματα ως την απλούστερη εξήγηση.

Η εξίσωση "r =0,2" σημαίνει ότι το 20 τοις εκατό της συνολικής πόλωσης προκαλείται από βαρυτικά κύματα. Είναι σημαντικό ότι σημαίνει ότι μπορούμε να αξιολογήσουμε την ενεργειακή κλίμακα του πληθωρισμού. Εάν r =0,2, η ενεργειακή κλίμακα ήταν αρκετά υψηλή ώστε η δύναμη της βαρύτητας και η κβαντομηχανική πρέπει να είχαν συνδυαστεί καθώς γεννήθηκε το σύμπαν. Αυτό επικυρώνει μοντέλα πληθωρισμού μεγάλων πεδίων όπως προτείνονται από τον Linde και άλλους κοσμολόγους, όπως ο Alan Guth.

Όταν ξεκινήσατε, περιμένατε να επαληθεύσετε τη θεωρία του πληθωρισμού;

Ως πειραματιστής, αναζητώ ιδέες που μπορούν να δοκιμαστούν και ο πληθωρισμός έκανε ελεγχόμενες προβλέψεις. Προσωπικά μου αρέσει η ερμηνευτική δύναμη της θεωρίας του πληθωρισμού. Αλλά είμαι ένας πειραματιστής του οποίου η δουλειά είναι να κάνει μετρήσεις και να αφήνει τα θεωρητικά τσιπ να πέφτουν όπου μπορούν.

Μια Ιστορία του Σύμπαντος Το BICEP2 ισχυρίζεται ότι βρήκε βαρυτικά κύματα σε σήματα τύπου Β από τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης.

Δικέφαλος2

Αφού το BICEP2 ανακοίνωσε την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων, αρκετοί κοσμολόγοι, συμπεριλαμβανομένων των Raphael Flauger, David Spergel, Michael J. Mortonson και Uroš Seljak, έγραψαν έγγραφα λέγοντας ότι οι τρόποι B που εσείς και οι συνάδελφοί σας έχετε ερμηνεύσει ως στοιχεία για βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν εξίσου να προκληθούν από σύννεφα γαλαξιακής σκόνης. Είναι σωστά;

Είναι μια πολύ φυσιολογική διαδικασία στην επιστήμη να προτείνουμε εναλλακτικές εξηγήσεις. Το BICEP2 είδε ένα πολύ σημαντικό επίπεδο πόλωσης τύπου B σε συχνότητα 150 GHz. Προσπαθήσαμε για ένα χρόνο να κάνουμε το σήμα να φύγει, και δεν τα καταφέραμε — είναι ακόμα εκεί. Είμαστε πλέον σίγουροι ότι είναι από τον ουρανό και όχι από όργανα. Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι αστρονόμοι έχουν μοντελοποιήσει την πολωμένη σκόνη στο προσκήνιο του γαλαξία μας, του Γαλαξία μας, σε χαμηλή ή μέτρια πόλωση περίπου 5%, που δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει το σήμα μας. Και υπάρχουν κάποια αποδεικτικά στοιχεία ότι το σήμα B-mode είναι βαρυτικά κύματα από δεδομένα που συλλέχθηκαν νωρίτερα τη δεκαετία από το τηλεσκόπιο BICEP1 σε συχνότητα 100 GHz. Τα βαρυτικά κύματα παρέμειναν μια πολύ πιθανή εξήγηση και η πιο οικονομική.

Αλλά στις αρχές Μαΐου, αφού είχαμε κυκλοφορήσει την προεκτύπωσή μας, η συνεργασία Planck δημοσίευσε δεδομένα πόλωσης σκόνης από τις μετρήσεις πόλωσης 350 GHz. Αυτά τα δεδομένα δείχνουν ότι η πόλωση της σκόνης σε ολόκληρο τον ουρανό είναι πιο σημαντική από ό,τι περιμέναμε.

Τι σήμαινε η δημοσίευση των νέων δεδομένων Planck για την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων που ανακοινώσατε τον Μάρτιο;

Ο χάρτης Planck δεν κάλυπτε την περιοχή πάνω από το Νότιο Πόλο όπου παρατηρεί το τηλεσκόπιό μας. Ο Planck θα δημοσιεύσει περισσότερα δεδομένα σύντομα. Αν είμαστε «άτυχοι», η πολωμένη σκόνη που παρατήρησε ο Planck θα μπορούσε να εξηγήσει όλο το σήμα μας B-mode. Περιμένουμε λοιπόν.

Στην αναθεωρημένη εργασία BICEP2 που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, η ομάδα σας εκφράζει λιγότερη βεβαιότητα για τα αρχικά της ευρήματα. Γιατί;

Το μόνο που είχαμε στη διάθεσή μας από τον Planck πριν κυκλοφορήσουμε την προεκτύπωσή μας ήταν ένας χάρτης από μια διαφάνεια σε μια παρουσίαση που έγινε πριν από περισσότερο από ένα χρόνο. Όταν κοιτάξαμε τη διαφάνεια, κάναμε υποθέσεις σχετικά με το τι σήμαινε η εικόνα και στη συνέχεια κάναμε την καλύτερη εκτίμηση για την πόλωση της σκόνης με βάση αυτήν την υπόθεση. Η υπόθεσή μας συμφωνούσε βασικά με προηγούμενα μοντέλα πόλωσης γαλαξιακής σκόνης. Δεν μπορούσαμε να ελέγξουμε πλήρως τις υποθέσεις μας, επειδή η διαφάνεια ήταν ο μόνος χάρτης σκόνης Planck στον οποίο είχαμε πρόσβαση. Στο αναθεωρημένο έγγραφο, αφαιρέσαμε το μοντέλο σκόνης με βάση την εικόνα Planck, λόγω αβεβαιοτήτων.

Δεν είχατε πρόσβαση στα ανεπεξέργαστα δεδομένα του Planck;

Δεν είχαμε τα ακατέργαστα δεδομένα του Planck όταν κάναμε τις υποθέσεις μας σχετικά με την κάλυψη της πόλωσης σκόνης. Και όταν ο Planck δημοσίευσε τα δεδομένα, απέκλεισε την περιοχή παρατήρησής μας στον Νότιο Πόλο από τον χάρτη. Όταν ο Planck δημοσιεύσει περισσότερα δεδομένα πόλωσης σκόνης για τον τομέα του ουρανού μας, θα έχουμε μια καλύτερη ιδέα για το εάν οι λειτουργίες B είναι βαρυτικά κύματα ή σκόνη.

Πώς αισθάνεστε που ανακοινώσατε την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων υπό το φως των νέων δεδομένων Planck και των επακόλουθων κριτικών;

Πάντα αναγνωρίζαμε ότι υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με τη σκόνη. Και τώρα, η αβεβαιότητα φαίνεται να είναι μεγαλύτερη.

Πρέπει να έχετε μια συναισθηματική επένδυση στο αποτέλεσμα.

Προσωπικά με νοιάζει μόνο η αλήθεια. Δεν ανησυχώ να δείχνω πάντα καλά. Με ενδιαφέρει μόνο πόσο μεγάλο μέρος του σήματος πόλωσης που βλέπουμε στα δεδομένα προκαλείται από σκόνη και πόσο προκαλείται από αρχέγονα βαρυτικά κύματα. Ως πειραματιστές, θέλουμε να κάνουμε την καλύτερη δυνατή μέτρηση. Όταν οι δημοσιογράφοι λένε, "Ω, έκανες κάτι λάθος!" αυτό με πονάει. Γεγονός είναι ότι τώρα έχουμε προσαρμόσει την ερμηνεία μας με βάση τις νέες πληροφορίες. Είναι σημαντικό ότι τα σημεία δεδομένων δεν έχουν μετακινηθεί ούτε ένα bit. Είναι μόνο η ερμηνεία που έχει εξελιχθεί.

Συμφωνούσαν όλοι στην ομάδα BICEP2 με την αρχική ερμηνεία ότι το πλεονάζον σήμα της λειτουργίας Β προκλήθηκε από βαρυτικά κύματα;

Με τις πληροφορίες που είχαμε στη διάθεσή μας τη στιγμή που κυκλοφόρησε η προεκτύπωση, δεν υπήρχε τίποτα να διαφωνήσουμε σχετικά με τα δεδομένα. Θα έχουμε περισσότερα δεδομένα σύντομα, από το Planck, το Keck Array και το BICEP3. Ανεξάρτητα από το αν το σήμα BICEP2 αποδειχθεί σκόνη στο προσκήνιο ή αρχέγονα βαρυτικά κύματα, θα προχωρήσουμε με την έρευνά μας.

Οι ερευνητικές ομάδες που ανταγωνίζονται για την εύρεση βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να μοιράζονται ακατέργαστα δεδομένα πριν ανακοινώσουν ανακαλύψεις;

Σχεδιάζουμε να συνεργαστούμε με άλλες ομάδες για να αναλύσουμε από κοινού τα δεδομένα μας. Η απελευθέρωση δεδομένων δεν είναι κάτι ασήμαντο. Οι διάφορες ομάδες επεξεργάζονται διαφορετικά δεδομένα CMB και οι ιδιότητες του οργάνου διαφέρουν και πρέπει να γίνουν κατανοητές. Μια συνεργασία βρίσκεται στα σκαριά για το 2020 με την ονομασία CMB-S4 που απαιτεί περισσότερη κοινή χρήση δεδομένων μεταξύ των διαφόρων ερευνητικών ομάδων.

Υπάρχει κάποιο μάθημα από όλα αυτά;

Η διαδικασία της ερμηνείας μπορεί να φαίνεται λίγο ακατάστατη στους ξένους, αλλά σημειώνουμε ταχεία πρόοδο στην επιστήμη. Και πάλι, με ενδιαφέρει μόνο να βρω την απάντηση.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο ScientificAmerican.com .