天文学家今年春天宣布他们发现了原始引力波的证据,但他们操之过急,因为他们没有充分考虑到银河尘埃的混淆效应,两项新的分析表明。尽管进一步的观测可能仍会发现信号从噪声中浮现出来,但独立专家现在表示,他们不再相信原始数据构成了重要的证据。
研究人员在三月份表示,他们使用位于南极的名为BICEP2的射电望远镜,在宇宙微波背景(CMB),即大爆炸的余辉的偏振中发现了一种微弱的扭曲模式。他们说,这种模式是 原始引力波的证据,即早期宇宙中产生的时空结构中的涟漪(参见“望远镜捕捉到引力波的景象”)。这一宣布引起了轰动,因为它似乎证实了宇宙暴胀理论,该理论认为宇宙在大爆炸后的最初一秒内呈蘑菇状膨胀。
然而,两项独立的分析现在表明,CMB偏振中的那些扭曲模式可能很容易用银河系中的尘埃来解释。
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加州大学伯克利分校的天体物理学家乌罗什·塞利亚克说:“根据我们目前所知……我们没有支持或反对引力波的证据。”他是最新研究之一的合著者。
但帕萨迪纳市加州理工学院的物理学家、BICEP2实验的共同负责人詹姆斯·博克表示,尽管他所在团队的主要论文“已根据许多审稿人的意见进行了修订并重新提交”以供发表,但引力波的证据“当然不会被撤回”。
博克说,BICEP2的结果“基本上没有改变”。
这一批评是在纽约大学理论物理学家拉斐尔·弗劳格两周前的一次演讲之后提出的,他重新审查了BICEP2团队在其分析中使用的一张尘埃偏振图(参见“引力波的发现面临审查”)。弗劳格的结论是,研究人员可能低估了地图中由尘埃引起的偏振比例,该地图是根据欧洲航天局普朗克探测器在2009年至2013年间收集的数据编制的。弗劳格说,当充分考虑尘埃时,可以归因于引力波的信号要么消失,要么大大减弱。
宇宙学家艾伦·古思于1980年首次提出宇宙暴胀的概念,他在得知弗劳格的演讲后告诉《自然》杂志:“我曾认为结果非常可靠。”他目前在剑桥市的麻省理工学院工作。“现在情况发生了变化。”
该地图仅在BICEP2团队用于检查尘埃在其结果中作用的六个模型之一中出现。
但在弗劳格和他的合著者大卫·斯珀格尔和科林·希尔于5月28日发布在arXiv预印本服务器上的研究中,他们对剩余模型提出了质疑,称所有模型都基于对银河尘埃引起的总偏振比例的低估——介于3.5%和5%之间。
斯珀格尔说,基于BICEP2团队完成分析后发布的更详细的普朗克地图的新信息表明,该比例更接近8-15%。他承认,较高的百分比是外推的,因为最新的普朗克地图排除了BICEP2检查的南极天空区域(参见“银河系地图回避了引力波的问题”)。
斯珀格尔指出,3.5%和8%之间的差异可能看起来很小,但由于BICEP2检测到的信号取决于偏振比例的平方,因此它变得很重要,他说。
斯珀格尔宣称,有了这些更新后的数字,“没有证据表明检测到引力波”。“这与尘埃一致。”但他补充说,只有等到普朗克团队预计在10月份发布的更精确的尘埃地图可用时,才能做出最终的判断。
普林斯顿大学的宇宙学家保罗·斯坦哈特说:“尘埃可能解释了BICEP2看到的所有或大部分信号。”他没有参与任何一项研究。
在新闻发布时,博克告诉《自然》杂志,他还没有时间阅读弗劳格、斯珀格尔和希尔的论文,作者只在论文在线发布前几个小时才将其交给他和BICEP2团队的其他成员。
在第二项分析中,塞利亚克和他在伯克利的同事迈克尔·莫滕森采取了更保守的方法来审查BICEP2的结果。由于南极地区尘埃引起的偏振量尚未测量,塞利亚克和莫滕森将其分析限制在一个已知量上——尘埃在天空不同空间尺度上发射的微波强度。在假设尘埃强度在天空的所有部分(包括南极)以相同方式变化的情况下,研究人员没有发现明确的证据表明BICEP2信号应归因于引力波。
塞利亚克和莫滕森还重新检查了关于BICEP2检测到的信号强度如何随微波频率变化的数据。BICEP2团队认为,将150吉赫兹记录的信号强度与旧望远镜BICEP1在100吉赫兹记录的数据进行比较时,与尘埃预期的强度模式不符。这一发现似乎以11比1的优势支持引力波而不是尘埃。
但塞利亚克和莫滕森表示,BICEP2团队在其频率分析中没有排除小空间尺度的数据。塞利亚克说,这是一个问题,因为在小尺度上,引力透镜——由于大质量物体导致的光线弯曲——完全模仿了引力波在较大空间尺度上留下的扭曲偏振模式。
塞利亚克说,考虑到透镜信号,“原始引力波信号优于尘埃的可能性不到2比1——换句话说,根本没有显著的几率。”
BICEP2团队没有回复关于塞利亚克和莫滕森论文的多项评论请求。
塞利亚克说,BICEP2团队在南极建造的望远镜凯克阵列即将发布的新数据,可能为BICEP2信号的真实性质提供一个试金石。
博克说,他和他的BICEP2同事急切地等待着今年秋天普朗克地图的发布,并且已经掌握了来自凯克阵列的更好的95吉赫兹和150吉赫兹数据。