Какое главное открытие в области гравитационных волн было сделано 17 марта 2014 года в ходе эксперимента BICEP2?

Фактическая статья (pdf) очень тяжела для количественной оценки ошибок - и это правильно. Они представили результат эксперимента, который статистически чрезвычайно сложно получить. Но для остальных из нас заключение является самой важной частью. В аннотации сказано:

Наблюдаемый спектр мощности В-моды хорошо аппроксимируется$\lambda$Теоретическая модель CDM + тензор с отношением тензор/скаляр r = 0,20

Насколько я могу судить, это их вывод. Чтобы начать понимать, мы должны получить представление о теориях компонентов.

• Lambda-CDM_model — космологическая модель, в основном
• Космический микроволновый фон (CMB) — это свет от последнего рассеяния, когда ранняя Вселенная была еще непрозрачной.
• Скалярные возмущения плотности (флуктуации) реликтового излучения происходят из-за квантовых флуктуаций в энергетической вселенной, и это были «семена», которые позволили сформироваться галактикам, породив структуру, среди которой мы живем.
• Отношение тензор/скаляр (переменная r ) в статье является мерой величины тензорных флуктуаций реликтового излучения относительно уже измеренных скалярных флуктуаций. Я удовлетворяюсь, говоря, что тензорные флуктуации являются «векторными» флуктуациями.
• B-режим — это тип поляризационного сигнала. Видимо, раньше был обнаружен другой тип этого сигнала, но это выше моего понимания.

В документе также очень ясно, что значение r не равно 0. Их эксперимент доказывает этот факт.$5.9 \sigma$. По моим меркам, это делает предложение верным.

Физика, предсказавшего это, посетил кто-то, кто работал над этим, и в Интернете есть видео этого . Первыми словами было то, что «это 5 сигм на 0,2». 5 сигма просто означает, что это правильно. .2 относится к значению r выше. Это был шок, на который ссылаются СМИ. Тот факт, что r=0,2, является здесь новой информацией для науки.

Сообщение в блоге другого пользователя также очень информативно. Это также гораздо более тяжело для последствий открытия. Например, это открытие дает нам гораздо более точную информацию об энергии, при которой происходила эпоха инфляции . Тем не менее, последствия открытия чрезвычайно далеко идущие. Итак, я бы сказал, что конкретное открытие здесь заключается в том, что r не равно нулю и близко к 0,2.

Вот несколько цитат из первой части статьи, которые в первую очередь намекают на мотивы эксперимента. Акцент мой:

Инфляция предсказывает, что квантование гравитационного поля в сочетании с экспоненциальным расширением создает первоначальный фон стохастических гравитационных волн с характерной спектральной формой (Грищук, 1975; Старобинский, 1979; Рубаков и др., 1982; Фаббри и Поллок, 1983; Эбботт и Уайз, 1984; также см. Krauss & Wilczek 2013).

Формулировка здесь имеет решающее значение, обратите внимание на «квантование гравитационного поля». Это квантовая гравитация и предсказание, основанное на теории, которое привело к измеренному результату. Для меня этот факт еще более невероятен, чем получение прямых доказательств существования гравитационных волн. На самом деле, судя по моему чтению, это связано с рассмотрением свойств гравитона в контексте квантовых полей.

Подробнее:

Хотя вряд ли их можно было бы непосредственно обнаружить с помощью современных инструментов, эти гравитационные волны оставили бы уникальный след в реликтовом излучении. Гравитационные волны индуцируют локальные квадрупольные анизотропии в поле излучения в пределах поверхности последнего рассеяния, индуцируя поляризацию в рассеянном свете (Полнарев, 1985). Эта картина поляризации будет включать в себя компонент «завитка» или В-моды в градусных угловых масштабах, который не может быть изначально сгенерирован возмущениями плотности.

Это касается того, как перейти от гравитационных волн к поляризации. Я все еще немного сомневаюсь в том, какое именно свойство гравитационных волн приводит к этому. Тем не менее, их визуальная страница дает мне полезную подсказку. См. их изображение поляризации . «Волна плотности» — это то, что я обычно связывал с гравитационной волной. Однако я признаю, что возможна и более сложная альтернатива. Это тривиально верно, потому что общая теория относительности использует тензоры. Это разница между толканием слинки вперед-назад и из стороны в сторону. Если мы говорим об этих модах из стороны в сторону, то я ожидаю, что это поляризует вещи, проходящие через них ... в отличие от простого их красного смещения и обратного синего смещения.

Подробнее об этом:

Гравитационное линзирование света реликтового излучения крупномасштабной структурой в относительно поздние периоды времени приводит к небольшим отклонениям исходного узора, преобразуя небольшую часть мощности E-моды в B-моды.

Похоже, что он охватывает некоторые более мелкие детали, но также объясняет, почему эта работа отличается от предыдущих экспериментов, которые, как говорят, имеют результаты, касающиеся как E-режима, так и B-режима. Эффект поляризации, если он достаточно древний, по-видимому, обязательно возник из-за эффектов квантовой гравитации.

У меня есть 3 еще более подробных пункта, которые я нашел из различных репортажей об этом событии. Они относятся к тому, что было измерено, что отличает BICEP2 от других экспериментов и почему эксперимент так важен. Эти конкретные детали:

• Искомая модель была 45$^{\circ}$поляризация относительно градиента температуры (?)
• Установка нижней границы значения r была новым вкладом BICEP2.
• Отношение, называемое границей Лита, вычисляет время / энергию инфляции из этого значения r.

Первая пуля исходит из видео на YouTube по минутной физике . Они утверждают, что плотность, движение и температура вещества при возникновении реликтового излучения влияют на его поляризацию. Не обращаясь к гравитационным волнам, мы ожидаем, что поляризация при 0$^{\circ}$и 90$^{\circ}$относительно градиента температуры (примечание: в видео есть некоторая путаница, плотность ли это градиента температуры, говорят одно, а пишут другое). Далее они говорят, что результат BICEP2 состоит в том, что около 15% поляризации приходится на 45°.$^{\circ}$"дрожания", которые являются сказочными признаками гравитационных волн. Гораздо сложнее объяснить, почему это должно быть правдой.

Следующий пункт — давайте проясним, почему это имеет значение, если то же самое было измерено в предыдущих экспериментах. Другие эксперименты оценивали значение r, но эти оценки по своей сути сгруппированы вокруг r = 0. Это по-прежнему ограничивает значение, но неэффективно определять, не равно ли оно нулю, что имеет значение для теоретиков. Без сомнения, это связано с моим первым пунктом — что критическое измерение включает в себя измерение угла поляризации относительно градиента плотности скалярного поля.

Третий пункт, то, что называется связью/отношением Лита, часто цитируется в обсуждениях на эту тему. Для большего чтения есть обсуждение на Quora . Уравнение:

Переменная$N_e$было измерено предыдущими экспериментами. В различных местах, включая последующие академические статьи , цитируется, что результат BICEP2 сужает приведенное выше уравнение до$\Delta \phi \approx 9.6 M_{pl}$. Оставшаяся переменная — это просто планковская масса. Я считаю , что это число интерпретируется как энергия, которую «прошла» инфляция. В более практическом смысле это дает нам энергию/время, когда произошла инфляция. Вот откуда исходят люди, когда упоминают, что этот результат позволяет нам заглянуть дальше в прошлое.

Они объявили, что благодаря наблюдению космического микроволнового фона с помощью эксперимента BICEP2 в Антарктиде, в частности поляризации в угловой шкале 2-4 градуса, косвенно наблюдаются гравитационные волны от инфляции во время ранней Вселенной.

Ссылка на часто задаваемые вопросы о выпуске:

http://bicepkeck.org/faq.html

Ссылка на препринт:

http://bicepkeck.org/b2_respap_arxiv_v1.pdf

Ссылка на изображения и подписи к пресс-релизу:

http://bicepkeck.org/visuals.html

Основываясь на измерениях B-моды поляризации фотонов реликтового излучения, BICEP2 сообщает относительно модели лямба-реликтового излучения + тензор, что отношение тензора к скаляру (r) составляет

$r = 0.20_{-0.05}^{+0.07}$с доверительной вероятностью 68% без учета влияния пыли.

$r = 0.16_{-0.05}^{+0.06}$сообщается с поправкой на модель, чем учитывает пыль.

Другие результаты телескопа Южного полюса и спутника Планк, основанные на крупномасштабных измерениях температуры реликтового излучения, содержат тензорно-скалярное отношение к$r<0.11$на уровне достоверности 95%.

Обновление 6/2014:

В опубликованной версии результатов группа BICEP2 заявляет, что «излучение поляризованной пыли может быть сильнее, чем любая из моделей», рассмотренных в статье, и что они не могут «исключить возможность излучения пыли, достаточно яркого, чтобы объяснить весь избыточный сигнал».

У доктора Мэтта Страсслера есть отличная информация на его сайте, смотрите здесь:

http://profmattstrassler.com/2014/03/17/a-primer-on-todays-events/ http://profmattstrassler.com/2014/03/17/bicep2-new-evidence-of-cosmic-inflation/ http://profmattstrassler.com/2014/03/18/if-its-holds-up-what-might-bicep2s-discovery-mean/

Вот краткое изложение некоторых ключевых моментов в моих собственных словах (любые ошибки являются моими собственными):

Считается, что в первую крошечную долю секунды после Большого взрыва Вселенная подверглась чрезвычайно быстрому расширению, известному как инфляция. Мы можем видеть оставшееся излучение не так далеко, а через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная наконец стала достаточно прохладной, чтобы электроны могли связываться с протонами. Это излучение было изучено и оказалось очень однородным. Он имеет небольшие колебания температуры, которые также были изучены. Эти наблюдения поддерживают идею инфляции. Колебания температуры объясняются квантовыми флуктуациями в ранней Вселенной, и эти флуктуации были взорваны (расширены) инфляцией вместе со всем остальным.

В дополнение к изменениям температуры имеют место также небольшие изменения поляризации излучения. Они бывают двух типов: Е-режим и В-режим. Поляризация Е-моды имеет ту же причину, что и колебания температуры. (У профессора Штрасслера есть красивая картинка, иллюстрирующая разницу.) Поляризация Е-моды изучалась некоторое время назад, и ничего удивительного в ней обнаружено не было. Поляризация B-моды в малых масштабах (то есть наблюдаемая на небольших участках неба) может возникать из-за поляризации E-моды или из-за гравитационного линзирования, которое произошло, когда излучение шло к нам. Но крупномасштабная поляризация В-моды свидетельствует о другом: о гравитационных волнах, создаваемых инфляцией. Это то, что заявлено новым результатом: крупномасштабная поляризация B-моды.

Некоторые важные вещи, которые следует помнить:

(1) Хотя экспериментаторы обнаружили поляризацию В-моды на уровне более 5 сигм, вы не можете сказать, что это обнаружение 5 сигм инфляционных гравитационных волн. Цитируя профессора Штрасслера: «Для этого им нужно достаточно данных, чтобы показать, что их наблюдаемые данные в деталях согласуются с предсказаниями инфляции. ."

(2) Это не прямое наблюдение гравитационных волн. Скорее, считается, что они наблюдают, как гравитационные волны, возникающие в первые доли секунды существования Вселенной, влияют на излучение, возникшее 380 000 лет спустя.

(3) Это не первое косвенное наблюдение гравитационных волн. Это был двойной пульсар Халса-Тейлора, получивший Нобелевскую премию. В основном было обнаружено, что две нейтронные звезды вращаются вокруг друг друга и теряют энергию таким образом, который согласуется с тем, что вы ожидаете, если они излучают гравитационные волны.

(4) Это первое косвенное наблюдение гравитационных волн, создаваемых инфляцией.

(5) Это очень важный результат (если он верен), потому что он свидетельствует об инфляции и может помочь определить, какая теория инфляции верна.

(6) Это также очень важный результат (если он верен), потому что он говорит нам о плотности энергии во время инфляции. Это наводит на мысль о новой физике за пределами Стандартной модели в этом энергетическом масштабе. И как оказалось, энергетическая шкала,$10^{16}$ГэВ находится примерно в том месте, где константы связи для электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий объединяются.

(7) Как и ко всем новым экспериментальным результатам, к ним следует относиться с недоверием, пока их не воспроизведет другой эксперимент.

Опять же, это только мое резюме, я настоятельно рекомендую прочитать все ссылки, которые я разместил выше.

Думаю, для полноты картины кому-то нужно пояснить, что это "открытие" было не открытием, а ошибкой. Нельзя отрицать, что это была тщательная и серьезная научная работа, но анализ данных недооценил влияние межзвездной пыли, и, кроме того, специалисты в этой области быстро заподозрили это (я имею в виду, что они подозревали, что вывод был серьезно вызывает сомнения сразу же, всего через несколько часов внимательного изучения). Короче говоря, экспериментальные данные BICEP2 2014 года на самом деле так или иначе не указывали на наличие гравитационно-волновой сигнатуры в космическом фоновом излучении.

Интересные уроки. Заголовок в одной из газет гласил: «Открытие первичных гравитационных волн знаменует собой« целую новую эру »в физике». В ответе на этом сайте упоминается: «В документе также очень ясно, что значение r не равно 0. Их эксперимент доказывает этот факт до 5,9σ». Если это$\sigma$— стандартное отклонение нормального распределения, то вероятность того, что такой результат возникнет случайно, когда$r$на самом деле ноль составляет примерно 1 из 6 миллионов. Но, конечно, это не то, что здесь происходит. На самом деле анализ сигнала был ошибочным из-за неправильного моделирования пыли.

Насколько я понимаю, ученые, участвовавшие впоследствии, провели дополнительное исследование, а также, поразмыслив, почувствовали, что способ обращения с рекламой в первый раз был не таким хорошим, как им хотелось бы. Я хотел бы подчеркнуть, что усилия здесь были высокого качества, и этот подход все еще может выявить сигнатуру гравитационных волн. Объяснения того, что может сказать нам такая подпись, данные в некоторых других ответах здесь, остаются в основном действительными.

Астрофизики из коллаборации BICEP2 объявили об обнаружении инфляционных гравитационных волн в спектре мощности B-моды , что предоставило убедительные доказательства теории инфляции и Большого взрыва Гута .

Вот одно из моих любимых видео , в котором ассистент профессора Чао-Лин Куо удивляет профессора Андрея Линде доказательствами, подтверждающими теорию космической инфляции.

Открытие, сделанное Куо и его коллегами в эксперименте BICEP2, представляет собой первые изображения гравитационных волн или ряби в пространстве-времени. Эти волны были описаны как «первые толчки Большого взрыва».

До сих пор мы оглядывались только на время реликтового излучения, т.е. примерно на 300 000 лет после ББ. Теперь, просмотрев этот гравитационный отпечаток на реликтовом излучении, мы отодвинули наши самые ранние наблюдения примерно до 10^-35 секунд. Это огромный скачок в масштабах нашего понимания (коэффициент примерно 10 ^ 47), и это, вероятно, самый впечатляющий аспект этого результата для неспециалиста.

Кроме того, теперь у нас есть самое первое указание на то, что гравитация квантуется.

И кажется, что пространство-время действительно может расширяться быстрее света. Возможно, однажды наши инженеры смогут использовать это удивительное свойство нашей Вселенной.