引力波探測的疑慮漸增

兩項分析表明,今年早些時候宣佈的大爆炸漣漪訊號過於微弱,不足以具有顯著意義

天文學家今年春天宣佈他們發現了原始引力波的證據,但他們操之過急,因為他們沒有充分考慮到銀河塵埃的混淆效應,兩項新的分析表明。儘管進一步的觀測可能仍會發現訊號從噪聲中浮現出來,但獨立專家現在表示,他們不再相信原始資料構成了重要的證據。

研究人員在三月份表示,他們使用位於南極的名為BICEP2的射電望遠鏡,在宇宙微波背景(CMB),即大爆炸的餘輝的偏振中發現了一種微弱的扭曲模式。他們說,這種模式是 原始引力波的證據,即早期宇宙中產生的時空結構中的漣漪(參見“望遠鏡捕捉到引力波的景象”)。這一宣佈引起了轟動,因為它似乎證實了宇宙暴脹理論,該理論認為宇宙在大爆炸後的最初一秒內呈蘑菇狀膨脹。

然而,兩項獨立的分析現在表明,CMB偏振中的那些扭曲模式可能很容易用銀河系中的塵埃來解釋。


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加州大學伯克利分校的天體物理學家烏羅什·塞利亞克說:“根據我們目前所知……我們沒有支援或反對引力波的證據。”他是最新研究之一的合著者。

但帕薩迪納市加州理工學院的物理學家、BICEP2實驗的共同負責人詹姆斯·博克表示,儘管他所在團隊的主要論文“已根據許多審稿人的意見進行了修訂並重新提交”以供發表,但引力波的證據“當然不會被撤回”。

博克說,BICEP2的結果“基本上沒有改變”。

這一批評是在紐約大學理論物理學家拉斐爾·弗勞格兩週前的一次演講之後提出的,他重新審查了BICEP2團隊在其分析中使用的一張塵埃偏振圖(參見“引力波的發現面臨審查”)。弗勞格的結論是,研究人員可能低估了地圖中由塵埃引起的偏振比例,該地圖是根據歐洲航天局普朗克探測器在2009年至2013年間收集的資料編制的。弗勞格說,當充分考慮塵埃時,可以歸因於引力波的訊號要麼消失,要麼大大減弱。

宇宙學家艾倫·古思於1980年首次提出宇宙暴脹的概念,他在得知弗勞格的演講後告訴《自然》雜誌:“我曾認為結果非常可靠。”他目前在劍橋市的麻省理工學院工作。“現在情況發生了變化。”

該地圖僅在BICEP2團隊用於檢查塵埃在其結果中作用的六個模型之一中出現。

但在弗勞格和他的合著者大衛·斯珀格爾和科林·希爾於5月28日釋出在arXiv預印本伺服器上的研究中,他們對剩餘模型提出了質疑,稱所有模型都基於對銀河塵埃引起的總偏振比例的低估——介於3.5%和5%之間。

斯珀格爾說,基於BICEP2團隊完成分析後釋出的更詳細的普朗克地圖的新資訊表明,該比例更接近8-15%。他承認,較高的百分比是外推的,因為最新的普朗克地圖排除了BICEP2檢查的南極天空區域(參見“銀河系地圖迴避了引力波的問題”)。

斯珀格爾指出,3.5%和8%之間的差異可能看起來很小,但由於BICEP2檢測到的訊號取決於偏振比例的平方,因此它變得很重要,他說。

斯珀格爾宣稱,有了這些更新後的數字,“沒有證據表明檢測到引力波”。“這與塵埃一致。”但他補充說,只有等到普朗克團隊預計在10月份釋出的更精確的塵埃地圖可用時,才能做出最終的判斷。

普林斯頓大學的宇宙學家保羅·斯坦哈特說:“塵埃可能解釋了BICEP2看到的所有或大部分訊號。”他沒有參與任何一項研究。

在新聞釋出時,博克告訴《自然》雜誌,他還沒有時間閱讀弗勞格、斯珀格爾和希爾的論文,作者只在論文線上釋出前幾個小時才將其交給他和BICEP2團隊的其他成員。

在第二項分析中,塞利亞克和他在伯克利的同事邁克爾·莫滕森採取了更保守的方法來審查BICEP2的結果。由於南極地區塵埃引起的偏振量尚未測量,塞利亞克和莫滕森將其分析限制在一個已知量上——塵埃在天空不同空間尺度上發射的微波強度。在假設塵埃強度在天空的所有部分(包括南極)以相同方式變化的情況下,研究人員沒有發現明確的證據表明BICEP2訊號應歸因於引力波。

塞利亞克和莫滕森還重新檢查了關於BICEP2檢測到的訊號強度如何隨微波頻率變化的資料。BICEP2團隊認為,將150吉赫茲記錄的訊號強度與舊望遠鏡BICEP1在100吉赫茲記錄的資料進行比較時,與塵埃預期的強度模式不符。這一發現似乎以11比1的優勢支援引力波而不是塵埃。

但塞利亞克和莫滕森表示,BICEP2團隊在其頻率分析中沒有排除小空間尺度的資料。塞利亞克說,這是一個問題,因為在小尺度上,引力透鏡——由於大質量物體導致的光線彎曲——完全模仿了引力波在較大空間尺度上留下的扭曲偏振模式。

塞利亞克說,考慮到透鏡訊號,“原始引力波訊號優於塵埃的可能性不到2比1——換句話說,根本沒有顯著的機率。”

BICEP2團隊沒有回覆關於塞利亞克和莫滕森論文的多項評論請求。

塞利亞克說,BICEP2團隊在南極建造的望遠鏡凱克陣列即將釋出的新資料,可能為BICEP2訊號的真實性質提供一個試金石。

博克說,他和他的BICEP2同事急切地等待著今年秋天普朗克地圖的釋出,並且已經掌握了來自凱克陣列的更好的95吉赫茲和150吉赫茲資料。

本文經《自然》雜誌許可轉載。這篇文章於2014年5月29日首次發表

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