Askel taaksepäin
Tuuli on kääntynyt BICEP2:ta vastaan. Koeryhmä ilmoitti 17.3. suurella fanfaarilla havainneensa varhaisen maailmankaikkeuden kosmisessa inflaatiossa syntyneitä gravitaatioaaltoja. Jos tämä pitää paikkansa, niin kyseessä on ensimmäinen varma kokeellinen todiste kvanttigravitaatiosta.
Tarkemmin sanottuna, BICEP2 on nähnyt B-moodeina tunnetun pyörrekuvion taivaalta tulevissa mikroaalloissa. Tästä on monta askelta inflaatiossa syntyneisiin gravitaatioaaltoihin. Ehkä epävarmin on se, ovatko BICEP2:n näkemät polarisoidut mikroaallot osa kosmista mikroaaltotaustaa vai tulevatko ne Linnunradasta. Jos ne ovat peräisin omasta galaksistamme, niin ne eivät kerro mitään varhaisesta maailmankaikkeudesta, ainoastaan kotinaapurustomme pölystä ja magneettikentistä.
Kirjoitin aiemmin seuraavasti:
”Toistaiseksi ei siis ole varmuutta siitä, onko BICEP2:n signaali todella kosmologista alkuperää, eikä selity Linnunradasta tulevalla säteilyllä. Toisaalta analyysissä ei ole mitään ilmeisiä virheitä eikä vakavia puutteita. Lisäksi mitattujen pyörteiden koko taivaalla on juuri se, mitä gravitaatioaalloilta odottaisikin, vaikka niiden voimakkuus onkin hieman odotettua isompi.”
Totesin myös, että:
”BICEP2:sta ilmestyneissä papereissa valtaosasta (ellei peräti kaikissa) on oletettu, että havainnot pitävät paikkansa. Tämä on ymmärrettävää, koska on nopeampaa sanoa, miten valmiit teoreettiset mallit sopivat yhteen uusien havaintojen kanssa kuin ruveta syynäämään sitä, onko havainnot tehty oikein. BICEP2:n datan kriittistä tarkastelua tulee kuitenkin varmasti vielä julki, erityisesti Planck-satelliitin tutkijaryhmältä.”
Sittemmin mainitsin yhdestä artikkelista, jossa on esitetty mahdollinen Linnunradassa oleva lähde BICEP2:n havaitsemille polarisoiduille mikroaalloille. BICEP2:n analyysistä on nyt lisäksi löydetty yksi vakava puute, ja riippumattomat tutkijaryhmät ovat päätyneet siihen johtopäätökseen, että BICEP2:n signaali saattaa olla peräisin Linnunradasta.
BICEP2 katsoi vain pientä osaa taivasta. Suunta oli valittu sen perusteella, että siellä Linnunradasta tulisi mahdollisimman vähän polarisoitunutta mikroaaltosäteilyä. Ongelmana on se, että luotettavia karttoja Linnunradan polarisoituneesta mikoaaltotaustasäteilystä ei ole julkisesti saatavilla. Planck-ryhmä on tehnyt tarkimmat mittaukset, mutta sen oma analyysi on vielä kesken. Datan on määrä tulla julkiseksi lokakuussa, kun Planck on ehtinyt käydä sen läpi huolella. BICEP2:n ilmoituksen jälkeen toukokuussa Planck on julkaissut polarisaatiodataa joistakin taivaan osista, mutta ei BICEP2:n alueesta.
Miten BICEP2 sitten oli arvioinut, kuinka paljon polarisoitunutta säteilyä sen katsomasta alueesta tulee? Yksi mahdollisuus on käyttää erilaisia malleja, jotka sopivat jo tehtyihin havaintoihin. Vaikka nämä havainnot eivät olisi tarpeeksi kattavia, mallien perusteella voidaan ennustaa, millaista polarisaation odottaisi olevan. Tämän perusteella BICEP2 arvioi Linnunradasta tulevan polarisoidun säteilyn voivan selittää vain pienen osan heidän mittaamastaan signaalista.
BICEP2 myös arvioi polarisaatioastetta havainnoista ja viittasi Planckin julkaisemattomaan dataan, tarkemmin sanottuna erään Planck-ryhmän jäsenen puheeseen. Tämä onkin eriskummallinen tapaus. BICEP2-ryhmä on vahvistanut käyttäneensä PowerPoint-esityksessä ollutta polarisaatiokartan kuvaa arvionsa pohjana. Tällaisia analyysejä ei ole tapana tehdä kuvien perusteella, vaan niiden taustalla olevien lukujen: kuvat vain havainnollistavat dataa. Tilanne ei silti ole täysin ainutlaatuinen: PAMELA-kokeen väitetyistä pimeän aineen havainnoista kirjoitettiin tieteellisiä julkaisuja puheessa esitetystä kalvosta otetun valokuvan perusteella.
Planckin kartassa näytettiin taivaan eri suuntien polarisaatioaste, eli se, kuinka suuri osa ei-kosmisesta säteilystä on polarisoitunutta (aiemmassa merkinnässä oli lyhyt selitys siitä, mitä polarisaatio on). Linnunradasta tulevan säteilyn määrä eri suunnissa tunnetaan varsin hyvin. Jos sen lisäksi tiedetään polarisaatioaste, niin voidaan laskea paljonko polarisoitunutta säteilyä on.
Raphael Flauger ja kumppanit ovat toistaneet Planckin esityksessä olleen kuvan analysoimisen. (Aiheesta myös Jesterin ja Sesh Nadathurin blogeissa.) Tutkijaryhmässä on mukana yksi Planck-satelliittia edeltäneen WMAP-satelliitin päätutkijoita, David Spergel. He digitoivat Planck-ryhmän esityksessä olleen kuvan ja muuttivat sen mallintamiseen kelpaavaksi dataksi. He ottivat huomioon digitoimisesta syntyvät virheet, eivätkä ne olleet suurin ongelma. Sen sijaan BICEP2-ryhmä näyttää ymmärtäneen väärin, mitä kartassa näytettiin. Siinä nimittäin oli mukana Linnunradasta tulevan mikroaaltosäteilyn lisäksi Linnunradan ulkopuolisten galaksien infrapunavalo. BICEP2-ryhmä oli ilmeisesti luullut, että kartassa näkyvä polarisaatioaste koskee vain galaksista tulevaa säteilyä.
Linnunradasta tuleva säteily on hyvin polarisoitunutta, eli se aaltoilee enemmän tiettyihin suuntiin, siksi että Linnunrata on erilainen eri puolilla. Esimerkiksi Linnunradan magneettikentät osoittavat tiettyihin suuntiin eivätkä ne ole yhtä voimakkaita kaikkialla.
Linnunrata ei ole poikkeus, muidenkin yksittäisten galaksien valo on polarisoitunutta. Mutta Maapallolle tulee infrapunasäteilyä hyvin suuresta määrästä galakseja. Koska galaksien asento meihin nähden on sattumanvarainen, galaksien yhteenlaskettu valo värähtelee yhtä paljon kaikkiin suuntiin, eli se ei ole voimakkaasti polarisoitunutta.
Esityksessä ollut kartta näytti, kuinka suuri osa Linnunradan mikroaalloista plus muiden galaksien infrapunavalosta on polarisoitunutta. Koska muiden galaksien infrapunavalo on vähemmän polarisoitunutta kuin Linnunradan mikroaallot, mikroaallot ovat voimakkaammin polarisoituneita kuin mikroaaltojen ja infrapunavalon summa. Näin BICEP2 aliarvioi Linnunradasta tulevan valon polarisaatioasteen pahasti.
Tai näin ainakin Flauger ja kumppanit väittävät. BICEP2 ei ole vahvistanut asiaa, mutta tekemällä tuon virheen Flauger ja kumppanit saavat suunnilleen samanlaisen tuloksen kuin BICEP2-ryhmä. Jos virheen korjaa, polarisaatioaste on isompi. Tämä ei kuitenkaan ole lopullinen sana asiasta. Ensinnäkin Planckin esittelemä kuva on alustava, ja toisekseen se on otettu eri aallonpituudella kuin BICEP2:n mittaukset, ja polarisaatioaste riippuu aallonpituudesta.
Lisäksi sekä Flauger ja kumpp. että toinen tutkijaryhmä ovat uudelleen arvioineet malleja Linnunradan polarisaatiosäteilylle, käyttäen Planckin toukokuussa julkaisemia karttoja. Molempien johtopäätös on se, että Linnunradan pölyn ja magneettikentissä liikkuvien hiukkasten lähettämien mikroaaltojen polarisaatio voi olla tarpeeksi voimakasta, ja sen pyörteiden koko voi olla sopiva, selittääkseen kaikki BICEP2:n havainnot.
Nämä analyysit kuitenkin pohjaavat paljolti siihen, mitä tapahtuu Linnunradan tyypillisissä taivaan osissa, kun taas BICEP2 valitsi katsomansa taivaan osan juuri sen perusteella, että se ei ole tyypillinen. Luotettavaa tietoa BICEP2:n katsoman taivaansiivun puhtaudesta ei siis vielä ole.
On mahdollista, että BICEP2 on nähnyt muinaisten gravitaatioaaltojen jäljen, mutta kosmologien yleinen mielipide on kääntynyt innostuneesta epäileväksi. Valoa asiaan tulee BICEP2-koeryhmän uuden Keck-teleskoopin mittauksista, joita tehdään kahdella taajuudella, mikä on tärkeää kosmisen ja Linnunradasta tulevan signaalin erottelemiseksi.
Lopulliseen selvyyteen tarvitaan Planckin tarkkoja mittauksia Linnunradan säteilystä, joiden on määrä tulla julki lokakuussa. Sen verran voi ulkopuolisena sanoa, että Planck-ryhmän jäsenet, jotka olivat kovin vakavina BICEP2:n ilmoittaessa löydöstään, ovat viime aikoina näyttäneet varsin onnellisilta.
Päivitys (20/06/14): BICEP2-ryhmän artikkeli on julkaistu eilen, vertaisarvioinnin jälkeen. Julkaistussa versiossa koeryhmä on ottanut esitetyn kritiikin huomioon ja lieventänyt lausuntojaan. Artikkelissa ei enää väitetä, että Linnunradasta tuleva säteily on tarkasti mallinnettu, sen sijaan siinä sanotaan että ”lisää dataa selvästi tarvitaan tilanteen selvittämiseksi”. Aiempi maininta siitä, että ”B-moodi –kosmologian uusi aikakausi on alkanut” on muuttunut muotoon ”Jos [signaalin] alkuperä on tensorit [eli gravitaatioaallot], mitä yllä esitetty todistusaineisto tukee, niin se kertoo B-moodi –kosmologian uudesta aikakaudesta. Mutta jos nämä B-moodit ovatkin todistusaineistoa korkeasta pölysignaalista, se paljastaa edessä olevien haasteiden mittakaavan”.
3 kommenttia “Askel taaksepäin”