» » Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2


Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Рис. 1. Микроволновой телескоп BICEP2 (справа) наблюдает за поляризацией космического реликтового излучения и ищет в ней следы мощных гравитационных волн, порожденных в самой ранней Вселенной (слева). Однако на эти измерения накладывается засветка от совершенно постороннего источника — теплового излучения пыли в нашей галактике. Новые данные, обнародованные обсерваторией Planck, показывают, что пренебрегать этой пылью нельзя. Рисунок с сайта simonsfoundation.org


Полгода назад эксперимент BICEP2 сообщил о наблюдении характерных особенностей в поляризации космического реликтового излучения, которые могли быть вызваны сильными гравитационными волнами, возникшими в сверхранней Вселенной на стадии космической инфляции. Хотя это сообщение произвело фурор в астрофизике и физике элементарных частиц, было сразу высказано подозрение, что BICEP2 недооценил вклад от гораздо более прозаичного источника той же поляризации — теплового излучения межзвездной пыли в нашей галактике. Появившиеся на днях новые данные обсерватории Planck, к сожалению, подтверждают это подозрение: выясняется, что результат BICEP2 можно полностью списать на галактическую пыль. Есть ли какой-то сигнал от гравитационных волн в данных BICEP2 или нет — теперь неизвестно, но чрезмерно оптимистичная их интерпретация уже закрыта.


Сенсационный результат BICEP2 и галактическая пыль

Реликтовое микроволновое излучение вновь стало одной из самых горячих тем в астрофизике. Полгода назад коллаборация BICEP2, изучающая поляризацию реликтового излучения, обнародовала сенсационный результат. В полученных их телескопом картах поляризации были обнаружены так называемые B-моды — характерные особенности поляризации, которые могли быть вызваны сильными гравитационными волнами, гулявшими по Вселенной в эпоху ее бурной молодости. А эти гравитационные волны, в свою очередь, могли возникнуть только в самые первые мгновения — даже не секунды, а безумно маленькие доли секунд — с момента возникновения Вселенной, в период сверхбыстрого раздувания, называемого инфляцией. Подробный рассказ про этот результат и его значение см. в нашей новости Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции, а также в заметке Реликтовые гравитационные волны: последний штрих в картине происхождения Вселенной? из газеты «Троицкий вариант».

Несмотря на осторожные формулировки и стандартные призывы подождать подтверждения другими экспериментами, это сообщение произвело в астрофизике и физике элементарных частиц настоящий фурор: статья BICEP2 собрала 690 цитирований за полгода. Не то чтобы открытие стало полной неожиданностью — в конце концов, сам этот эксперимент, а также его научные конкуренты как раз были нацелены на изучение карты поляризации реликтового излучения и на поиск B-мод. Ажиотаж вызвало, во-первых, само сообщение о регистрации долгожданного эффекта, во-вторых, неожиданно большая величина сигнала, а в-третьих, те научные возможности, которые при этом открывались. Все-таки в последние десятилетия физикам не так часто попадались экспериментальные результаты, которые подтверждали бы новые фундаментальные свойства нашего мира, открытые вначале теоретиками.

Впрочем, почти сразу же стали раздаваться скептические голоса. Измерение — это хорошо, но для правильной интерпретации необходимо убедиться, что никакие известные посторонние источники не могли случайно произвести что-то подобное. Одна из наиболее беспокоящих возможностей — это тепловое излучение пыли в межгалактическом пространстве нашей собственной галактики. Пыль эта находится при температуре около 20 K. Хотя максимум ее теплового излучения приходится на высокие частоты порядка нескольких ТГц, оно чувствуется и на частоте 150 ГГц, на которой работал BICEP2. Более того, пылинки несферической формы выстраиваются в галактическом магнитном поле, и их тепловое излучение тоже частично полязировано. В частности, оно чисто случайно может организоваться в такое распределение, которое будет напоминать искомые B-моды далекого реликтового фона (рис. 1).

Исследовательская группа, конечно, была в курсе этой потенциальной проблемы, поэтому выбрала для наблюдения довольно небольшой участок неба, относительно свободный от галактической пыли. Кроме того, в своей статье авторы проанализировали, какую «засветку» можно от этой пыли ожидать, и пришли к выводу, что списать на нее зарегистрированный ими сигнал нельзя.

На это, однако, стали появляться возражения. Дело в том, что поляризация галактической пыли не была измерена самим этим экспериментом. BICEP2 мог бы отделить «пыль» от «сигнала», если бы провел измерения на нескольких частотах — ведь интенсивность излучения от пыли очень сильно растет с повышением частоты. Однако он выполнил все свои измерения только на одной фиксированной частоте. Поэтому оценить вклад пыли исследователи могли, лишь взяв данные других установок и экстраполировав их в свою область частот. Эта процедура привносила дополнительные неопределенности в оценку «запыленности» данных BICEP2. Разобраться с этой ситуацией помогли бы новые данные космической обсерватории Planck, которая как раз изучает в мельчайших подробностях все измеряемые характеристики реликтового излучения, обозревая при этом всё небо целиком, а не только небольшой его участок. Однако эти данные задерживались.

Несколько исследовательских групп, сомневаясь в правильности оценок вклада от галактической пыли, решили разобраться самостоятельно. Например, в апрельской публикации было отмечено, что примерно в том направлении, в котором смотрел на небо BICEP2, находится край галактического пузыря, дающий свой вклад в поляризацию излучения; см. подробности в заметке И снова о гравитационных волнах. Тем временем в мае подоспели сразу несколько статей обсерватории Planck с общим обзором и многочисленными более детальными исследованиями теплового излучения от галактической пыли (рис. 2). Непосредственного сравнения с результатами BICEP2 там, впрочем, не было. Однако уже несколько дней спустя в двух статьях, arXiv:1405.5857 и arXiv:1405.7351, были предприняты независимые попытки совместить данные двух экспериментов друг с другом, а также с более ранними наблюдениями. Общий вывод оказался таков: полученные BICEP2 данные можно объяснить как гравитационными волнами, так и излучением пыли. В свете новых данных Planck неопределенности выглядели слишком большими, чтобы отдать предпочтение какой-то из гипотез. Все стали с еще большим нетерпением ждать официальных результатов обсерватории Planck касательно этого спора.


Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Рис. 2. Карта поляризации микроволнового излучения в галактических координатах, полученная обсерваторией Planck на частоте 353 ГГц. Степень поляризации закодирована цветом: от нулевой (синий) до 20% (красный). Серым цветом показаны участки, закрытые маской: поляризация в них не связана непосредственно с галактической пылью. Изображение из статьи Planck Collaboration, 2014. Planck intermediate results. XIX. An overview of the polarized thermal emission from Galactic dust


Надо сказать, что сама коллаборация BICEP2 внимательно отнеслась к возникшей полемике, стараясь проверить возражения и учесть новые данные. По ходу дела эволюционировали и формулировки их заявлений. Например, когда в июне их статья была наконец-то опубликована в журнале Physical Review Letters, в ней, в свете новых результатов, уже более сдержанно говорилось о гравитационно-волновой интерпретации, хотя коллектив BICEP2 по-прежнему ее придерживался.


Долгожданные результаты обсерватории Planck

На днях в архиве е-принтов вышла долгожданная статья обсерватории Planck, в которой обсуждаются поляризационные характеристики излучения от галактической пыли. Также в новой работе была целенаправленно изучена и та область неба, в которой ведет свои наблюдения телескоп BICEP2. Как и раньше, основные измерения проводились на частоте 353 ГГц, при которой галактическая пыль является главным источником поляризации микроволнового излучения по всему небу. Данные по интенсивности, распределению и по степени поляризации излучения были затем пересчитаны на частоту 150 ГГц, на которой вел свои наблюдения BICEP2. Из-за того что такой пересчет вносит дополнительные неопределенности, а также стараясь максимально усилить вклад от реликтового излучения, Planck не стал представлять их в виде подробной карты, а разбил небо на крупные «лепестки» подходящего размера и привел данные по каждому лепестку.

На рис. 3 цветом показано, насколько сильно поляризационная картина от галактической пыли должна «забивать» возможный вклад от гравитационных волн. Главный результат состоит в том, что в той области неба, которую изучал BICEP2 и которая показана здесь черным контуром, галактическая пыль дает B-моды поляризации примерно такой интенсивности, которую и обнаружил BICEP2 (именно это означает голубой цвет на рисунке). Этот результат, конечно, не означает, что в сигнале, полученном BICEP2, гравитационных волн точно нет. Может быть, они там есть, и может быть даже, их вклад не столь уж и мал, такого же порядка интенсивности, как и засветка от галактической пыли. Но этот результат точно ставит крест на слишком оптимистичной интерпретации данных BICEP2: считать их доказательством регистрации инфляционных гравитационных волн нельзя. Ажиотаж полугодичной давности оказался преждевременным.


Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Рис. 3. Оценка «запыленности» B-мод, извлеченных из поляризации микроволнового излучения от разных участков неба. Левая и правая карты показывают участки неба в высоких галактических широтах северной и южной галактической полусферы. Красным показаны участки, в которых галактическая пыль будет полностью забивать возможный сигнал от гравитационных волн, синим — участки неба, в которых помехи от галактической пыли будут минимальны. Черным контуром показан тот участок, в котором вел наблюдения телескоп BICEP2. Изображение из обсуждаемой статьи


Впрочем, новая работа коллаборации Planck — это еще не окончательное слово в этой истории. Все-таки есть большое количество тонкостей как в самих инструментах, так и в обработке полученных ими данных, которыми два эксперимента сильно различаются. Чтобы вынести окончательный вердикт — по крайней мере, данным BICEP2 полугодичной давности, — требуется провести еще более аккуратный анализ, пересчитывающий данные Planck прямо в ту область, в которой работал BICEP2, с учетом всех особенностей. Эта работа сейчас ведется совместно обеими группами.

Также у BICEP2 остаются еще возможности для улучшения результатов и даже шансы возродить свою заявку на открытие. Во-первых, начал работу их обновленный телескоп Keck Array; вскоре ожидается запуск и еще более продвинутой его версии — BICEP3. Он позволит получить карту поляризаций на частоте не 150, а 100 ГГц, а значит, у исследователей появятся два набора измерений на разных частотах. При достаточной точности измерений это им позволит напрямую отделить галактическую пыль от искомого сигнала. А во-вторых, новые результаты Planck содержат не только критику, но и подсказку для BICEP2 — а также для других экспериментов с той же научной задачей. Оказалось, что их телескоп направлен не на самый оптимальный участок неба. Области, окрашенные на рис. 3 темно-синим цветом, подходят для этой цели куда больше, поскольку в них поляризационная засветка от галактической пыли гораздо ниже. И этим подарком природы охотникам за инфляционными гравитационными волнами пренебрегать не стоит.

Источник: Planck Collaboration. Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes // е-принт arXiv:1409.5738 [astro-ph.CO].

См. также:
Олег Верходанов. Реликтовые гравитационные волны в свете данных обсерватории Planck.

Игорь Иванов


28 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения

Полгода назад две группы исследователей сообщили об обнаружении неизвестной линии излучения в рентгеновских спектрах галактик. Заявление звучало сенсационно, поскольку это излучение могло идти от

Ускоряющееся расширение Вселенной станет доступно прямому измерению в ближайшее десятилетие

Известно, что Вселенная расширяется, причем расширяется с ускорением. Однако все экспериментальные свидетельства в пользу ускорения были получены косвенными методами: для прямого наблюдения пока не

Циклотронное излучение открывает новые возможности для измерения массы нейтрино

Первые результаты эксперимента Project 8 доказали состоятельность новой методики измерения энергии электронов — по частоте их циклотронного излучения. Этот метод работает с нерелятивистскими

LHCb подтверждает еще одно отклонение в распадах Bs-мезонов

Коллаборация LHCb обнародовала еще один любопытный результат: новый анализ распада Bs -> u+u– подтверждает отклонение от Стандартной модели на уровне статистической значимости 3,5?. Этот результат

Физика элементарных частиц в 2018 году. Часть 2

Несмотря на то, что в 2018 году в физике элементарных частиц совсем ярких сенсаций не произошло, работа теоретиков и экспериментаторов была очень продуктивной. Во второй части обзора основных

Обнаружен сигнал темной материи?

Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии сообщили о нетипичном излучении фотонов, которое они обнаружили в рентгеновских лучах. По мнению ученых, это может быть сигналом от
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОбманщики чередуют ложь с правдой, чтобы им продолжали верить