プランク衛星からの新しいデータ分析によると、天の川銀河の高緯度にある宇宙塵が、有力なビッグバン理論の証拠として提示されていた渦巻きパターン全体を説明できる可能性があるという。
以前は、天の川面から遠く離れた宇宙空間にどれだけの塵が舞っているかを正確に知る必要はほとんどありませんでした。科学者たちは、ぼんやりと放射する粒子が銀河の磁場と一致し、磁場のねじれが塵の輝きに微妙な渦巻きを与えていることを理解しました。しかし、それらの渦巻きは微すぎて見えませんでした。研究者らが驚異的な感度の望遠鏡で時空の果てを垣間見たと主張した3月以来、塵の量を計算する必要が生じた。なぜなら、カッコウの卵がウグイスの巣に隠れているように、そのパターンはビッグバンからの予測信号を模倣しているからです。
今回、科学者たちは、原始重力波の証拠として宣伝されている渦巻き模様（宇宙の爆発的誕生に遡る時空間の波紋）は、すべて磁気的に整列した塵から生じたものである可能性があることを示した。プランク宇宙望遠鏡からのデータの新しい分析は、死にかけている星によって星間空間に吐き出された小さなケイ酸塩と炭酸塩の粒子が、BICEP2 望遠鏡によって検出された信号の最大 100 パーセントを占める可能性があると結論付け、この春に大々的に発表されました。
プランク分析は、「信号全体が塵からのものである可能性を排除できないという点で比較的決定的です」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の天体物理学者であり、BICEP2 共同研究のメンバーであるブライアン キーティング氏は述べています。
「もちろん、私たちはがっかりしました」と、プランクのチームメンバー、パリ南大学のジョナサン・オーモン氏は言いました。
新しい塵分析は、BICEP2信号の一部が「インフレーション」と呼ばれる有力なビッグバン理論の長年探し求められていた痕跡である原始重力波に由来する可能性を残した。宇宙学者アラン・ガスが 1980 年に提唱したように、宇宙がこの短期間の指数関数的膨張で始まったとしたら、量子サイズの波紋が宇宙構造の中で巨大な永続的なうねりとなって広がっていたでしょう。これらの重力波は、現在空で検出できる最古の光である宇宙マイクロ波背景波に、「B モード」偏光と呼ばれる渦巻きパターンを刻み込んだと考えられます。
ただし、カッコウには気をつけてください。
大きく報道された3月17日の記者会見で、ハーバード大学のBICEP2チームリーダー、ジョン・コバック氏は、同グループの南極に拠点を置く望遠鏡が原始重力波の「予測されたパターンに非常によく一致する」Bモードの証拠を発見したと発表した。銀河の埃っぽい面から遠く離れた宇宙領域（「望遠鏡を訓練できる最もきれいな空の部分」）を探査し、これまでの実験の 12 倍の感度で入ってくるマイクロ波の偏光を測定した後、彼と同僚はインフレーションの証拠を検出したと確信しました。
しかし、発表後の数カ月で外部の専門家らは、科学者らが使用した銀河塵放出の非常に不確実性の高いモデルがBICEP2領域の塵汚染を過小評価しているようだと主張し、非難の声を上げた。 「コミュニティ全体がそれを過小評価していました」とハーバード大学の理論家であり、BICEP2 には所属していないアビ・ローブ氏は述べました。
もし BICEP2 望遠鏡が複数のマイクロ波周波数で B モードを検出できたなら、科学者たちは星間塵粒子からの光と彼らが探していたより古い光を簡単に区別できたでしょう。どちらの光源も周波数が高くなると明るくなりますが、塵の放出はより劇的に明るくなります。 B モード信号の強度を周波数の関数としてプロットすることにより、科学者は、その曲線が宇宙マイクロ波背景放射の浅い上昇に似ているか、それとも塵光の急峻な上昇に似ているかを判断できたでしょう。
代わりに、チームは最大の感度を選択し、単一周波数 (150 ギガヘルツ) を受信するように検出器を設計しました。 「これは実験のアキレス腱でした」とローブ氏は言いました。
高い周波数は塵の放出によって埋もれ、低い周波数はシンクロトロン放射と呼ばれる別の「前景」によって妨げられるため、150 ギガヘルツは最小限の汚染でスイート スポットに収まりました。ただし、単一のデータ ポイントは任意の曲線上に存在できます。
塵に由来する信号の割合を直接決定することができなかった科学者らは、プランク科学者のパワーポイントのスライドにある予備塵マップから誤って抽出されたデータを含む、空の一部の汚染に関する既存のモデルに依存し、塵が信号の 5 分の 1 以下を占める可能性があると結論付けました。現在カーネギーメロン大学のラファエル・フロウガー率いるグループが誤りを指摘し、プランクのチームがより良い（まだ暫定的ではあるが）ダスト推定値を発表した後、コバックと彼のチームは論文を修正し、重大な発見であるという主張を回避した。
「彼らは最初のプレゼンテーションでもっと慎重になるべきだった」とプリンストン大学の宇宙学者ライマン・ペイジ氏は言う。 「前景の不確実性は現在も大きすぎるため、彼らは原始 B モードの測定を主張すべきではありませんでした。」
複数の周波数が必要でした。 2009 年から 2013 年にかけて、欧州宇宙機関のプランク宇宙船に搭載された望遠鏡は、7 つの異なるマイクロ波周波数で空全体の偏光を測定しましたが、どのパッチでも感度は BICEP2 よりも約 100 分の 1 でした。新しい分析では、プランクの科学者らは空をBICEP2観測領域のサイズのパッチに分割し、塵の放出が信号を支配する高周波数である353ギガヘルツで各パッチに存在するBモード偏光の量を計算した。他のパッチのいくつかは、BICEP2 パッチの半分の量のほこりの光しか発さず、キーティングの言葉を借りれば、「あまりきれいではありませんでした」。
プランクの全天地図は、353 GHz のデータから推定された 150 GHz での粉塵汚染の予測を示しています。最もきれいな領域は青、最も粉塵の多い領域は赤で示されています。銀河の北半球が左側に、南半球が右側に表示され、黒い輪郭がおおよその BICEP2 観測領域の輪郭を示しています。
プランクのコラボレーション
プランク望遠鏡には、BICEP2 で見られるような 150 ギガヘルツの微弱な B モードを検出する感度がありませんでしたが、塵の放出が周波数によってどのように変化するかを大まかに知ることで、科学者らは 353 ギガヘルツの値から推定しました。彼らは、過剰な塵の放出により、BICEP2 によって検出された信号と同じ強さの B モード偏光が生成され、その強度の約 3 分の 1 を増減すると計算しました。
「彼らは多かれ少なかれ、塵の放出が少ない空の一部を見つけることができると考えていました」と、新たな分析に深く関わったブリティッシュコロンビア大学の宇宙学者ダグラス・スコット氏は言う。 「そして、プランクの結果は、塵を無視できる空の部分がないことを示しています。」
原始重力波に由来するBモード偏光が存在する場合、その正確な量は、現在進行中の集中的な分析の問題となるだろう。原始信号がある場合、その強度は r と呼ばれるパラメータで定量化されます。 時空に注入し、インフレーション中に時空をバラバラに駆動したエネルギーの量が明らかになります。インフレのエネルギー規模は、なぜインフレが起こったのかを知る大きな手がかりとなるでしょう。
「これがいかに興味深いか、どれだけ強調してもしすぎることはありません」とスタンフォード大学のインフレ理論家エヴァ・シルバースタインは、r の考えられる値について語った。 シカゴでの最近の講演で。シルバースタインのような理論家は、r が 0.01 より大きいか小さいかを知りたがります。これは、大フィールド インフレーションと小フィールド インフレーションと呼ばれるカテゴリー間の交差点です。前者は、包括的な量子重力理論の詳細を明らかにするでしょう。
最初の BICEP2 分析では、r が固定されていましたが、 ある大規模なフィールドのインフレーションモデルに対応する0.2で、プランク研究はその値を0にかなり近づけています。もし波が検出可能であるとしても、銀河塵の渦巻く霧の背後で波を検出するにはBICEP2よりもはるかに強力な望遠鏡が必要になります。すでに、少なくとも 10 件の既存または計画された実験で、 r よりも弱い B モードを検出するのに十分な感度が得られています。 =0.1。アタカマ宇宙望遠鏡、南極望遠鏡、および BICEP とケックの組み合わせアレイはすべて、 信号がr より大きい場合、重力波からの B モードを 2 ～ 3 年以内に測定できるようになるはずです。 =0.01。 SPIDER と呼ばれる気球搭載の機器も、最終的には同様の感度を達成するでしょう。
インフレーションの考えを批判する人たちにとって、これらの実験の感度の高まりはほとんど慰めにならないかもしれない。この理論は、たとえ原始的な B モードが見つからなかったとしても存続できるほど柔軟であり、事実上、改ざんは不可能です。
「r が付いたモデルはたくさんあります」 あまりにも小さいので、これらの実験ではそれを見ることができないでしょう」と、Silverstein らとともに r =0.07 のテスト可能な弦理論インフレーション モデルの開発に貢献した Flauger 氏は述べました。
ペンシルベニア大学物理学教授マーク・トロッデン氏は、たとえBICEP2のシグナル全体が消え去ったとしても、ビッグバン理論の有力な理論は今後も残るだろうと述べた。それは宇宙の滑らかさと均一性を説明し、構造形成のメカニズムを与えるものだと彼は説明しました。「しかし、この証拠はすべて非常に状況証拠です。」
原始重力波が確認されれば理論は固定化され、時間の始まりの全体像が完全に解明されただろう。現在、「陪審はまだ出ていない」とキーティング氏は語った。
プランクと11月に発表される予定のBICEP2からのデータを共同分析すれば、南極の上空のあのきれいではあるが、ぎしぎしとまではいかない一区画の塵の渦に原始的なBモードが混ざっているかどうかが判明する可能性がある。コヴァチ氏は、協力することで、チームは r の値に新たな上限を設けることができるはずだと述べた。 — 原始重力波が存在するとしても、それは一定の強度よりも弱いはずだという保証 — これは塵汚染の「モデルではなくデータに依存している」。
「私たちは完全に偏見のない態度で分析に取り組んでいることをお約束できます」とコヴァチ氏は語った。 「私たちは、最終的な答えが何であれ、ここで不確実性が軽減されることを他の皆さんと同じように熱望しています。」
BICEP2 の成功は、以前の実験と比較して感度が 1 桁向上したことにあると Loeb 氏は述べています。 「間違いなく彼らは何かを検知した」と彼は言った。 「その重要性は、その解釈によって決まります。もしそれが塵であれば、宇宙論的な意味はまったくありません。」
この記事は、詳細を追加して 2014 年 9 月 22 日に更新され、後に Wired.com に再版されました。
