3月中旬、時間の最初の瞬間を探る実験に取り組んでいる4人の天体物理学者からなるパネルが、マサチューセッツ州ケンブリッジのハーバード・スミソニアン天体物理学センター（CfA）で臨時記者会見を開催した。科学者らは、南極にある電波望遠鏡がビッグバンによって生成された重力波を発見したと発表した。彼らは、宇宙論における「新時代」の始まりを宣言する、査読のない論文をインターネット上に投稿しました。
記者会見でスポットライトを共有したのは、宇宙が誕生時にどのように急速に膨張したかについて独創的な理論を開発した二人の理論物理学者、アンドレイ・リンデとアラン・ガスだった。新しい結果はそれらの理論を検証しました - かのように見えました。
スタンフォード大学とCfAはいずれも、この発見をインフレ理論が真実であることを示す「決定打」と呼ぶプレスリリースを配布し、このフレーズはこの発見に関する国際的な見出しに登場した。スタンフォード大学の研究者、チャオリン・クオ氏が発見のニュースを共有するためにリンデの私道を歩いている短いビデオは、何百万人もの人々に視聴されました。メディアのインタビューでは、笑顔の物理学者や宇宙学者が興奮して踊りそうになりました。
彼らのほとんどは、BICEP2望遠鏡（宇宙銀河系外偏光の背景画像化、第2世代）を使用した実験に関与した科学者らの革新的な主張は、別の説明を排除する可能性がある追加の実験によって確認されなければならないことを注意深く指摘しました。しかし、BICEP2 の非常に技術的な論文では、重力波信号が誤りである可能性は非常に低いと主張されていたため、ほとんどの人にとってこの発見は終わったことのように思えました。
しかし、デイビッド・シュパーゲルにとってはそうではありません。シュパーゲル氏は、2001 年に軌道上に打ち上げられた電波望遠鏡ウィルキンソン マイクロ波異方性探査機 (WMAP) のチームメンバーとして、天体物理学の功績を残しました。衛星によるビッグバンのマイクロ波残光の測定により、膨張する宇宙の年齢 (137 億 7 千万年) が特定され、通常の物質 (全体の 4.6 パーセント) と暗黒物質 (24 パーセント) および暗黒エネルギー (71.4 パーセント) の比率が明らかになりました。パーセント）。 (プランク衛星データはその後、年齢を 138 億年に近づけ、通常物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの割合をそれぞれ 4.9、26.8、68.3 に修正しました。)
シュパーゲル氏は、ビッグバンからの重力波の証拠を探す他のいくつかの実験にも関わっています。彼は宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) も測定する BICEP2 のメンバーではありませんが、プリンストン大学で学生に宇宙マイクロ波背景放射について講義していました。電車の中で BICEP2 の論文を読んだ彼は、特に BICEP2 の発表後に発表された新しい CMB 測定値を考慮すると、データの解釈に重大な問題があることに気づきました。 5月下旬、シュパーゲル教授は、ニューヨーク大学およびニュージャージー州プリンストン高等研究所の物理学者ラファエル・フラウガー氏、プリンストン大学大学院生のJ・コリン・ヒル氏と協力して、BICEP2チームの結果の批評を共同出版した。 3人は、この信号は重力波ではなく、銀河の前景にある宇宙塵によって生成された可能性が高いと結論づけた。カリフォルニア大学バークレー校のマイケル・J・モートンソン氏とウロシュ・セルジャック氏を含む他の宇宙学者も参加し、独自の批判論文を執筆し、「したがって、BICEP2の結果をインフレの決定的な証拠として祝うのは時期尚早である」と結論付けた。
BICEP2 の天体物理学者はもっと慎重になるべきでした。
6 月 20 日、Physical Review Letters は BICEP2 の元の論文の改訂版を発表しました。この新しい論文で、天体物理学者たちは重力波の解釈を真剣に検証しました。最も重要なのは、同様の研究を行っていた欧州宇宙機関のプランク宇宙天文台の科学者らによる未発表のプレゼンテーションから得られた塵に関するデータへの言及を削除したことだ。彼らはまた、論文の最初のバージョンを掲載したときには入手できなかった塵に関するプランクのデータも組み込みました。 BICEP2 の科学者らは、脚注でシュパーゲル氏らの意見に同意し、「過剰な信号全体を説明できるほど明るい塵放出の可能性を排除」できないことを認めました。
6月中旬、Quanta MagazineはSpergel氏と対談し、BICEP2論争について語った。これはその会話を要約して編集したものです。
QUANTA MAGAZINE:あなたは、原始重力波の存在を発見したという BICEP2 チームの主張に対する主要な批評家です。なぜですか?
デビッド・スパーゲル:BICEP2 天体物理学者はもっと慎重になるべきでした。彼らが報告した証拠は、彼らが重力波によって引き起こされたと解釈している信号が、実際には銀河塵によって引き起こされたものではないということを私に納得させることができません。
マスコミは過剰反応しましたか?
私は報道機関が決定的な報道に同調したことを非難しませんが、BICEP2 プロジェクトの科学者が行き過ぎで、自分たちのデータによって完全に裏付けられていない主張を行ったことを非難します。
Physical Review Letters に掲載された改訂論文における BICEP2 の決定的証拠の主張の修正は、あなたを満足させますか?
改訂された論文では依然として、ダスト信号の強度を過小評価している可能性が非常に高い非現実的な前景モデルが使用されています。しかし、重力波信号が偽りである可能性をもはや排除できないことをチームメンバーが認識していることは前向きな兆候です。
BICEP2 の論文は非常に技術的です。通常の言葉で言うと、なぜ二極化が重要なのでしょうか?
光は電磁波として、また粒子、つまり光子として記述できます。直射日光は偏光していないため、光子はあらゆる方向にランダムに散乱します。しかし、光子が水や鏡などの表面で反射すると、散乱光波はその進行面に対して上下または左右に振動するように制約されます。それが二極化です。
私たちは日常生活の中で偏光を見ています。曇った日にビーチで偏光サングラスを使用すると、水で散乱した光子からの偏光グレアが除去され、周囲がよく見えるようになります。
天体物理学では、電波望遠鏡は宇宙マイクロ波の偏光を測定します。宇宙マイクロ波は、130 億年以上にわたって私たちに向かって移動してきた光子です。私たちの機器がこれらの光子の特性を測定するときに作成される偏光パターンは、重力波の過去の存在を明らかにすることができます。
WMAP の 3 年分の幼児宇宙の写真。色は「暖かい」スポット (赤) と「冷たい」スポット (青) を示します。白いバーは最も古い光の「偏光」方向を示しています。
NASA / WMAP 科学チーム
重力波とは何ですか?
重力波は時空構造の歪みです。波は水の波に似た方法で伝播し、湖に投げ込まれた岩から同心円状に波紋が広がります。中性子星の衝突は大きな重力波を放出すると考えられていますが、エネルギー的に非常に弱いため、実験的にはまだ発見されていません。しかし、インフレーション理論が真実であれば、ビッグバン後のインフレーションのミクロの瞬間に、宇宙は信じられないほど高いエネルギーの噴出によって、光速を超える速度で指数関数的に膨張したことになります。
この 1 兆分の 1 秒の間に、時空の量子力学的な変動によって重力子、つまり時空の重力の波紋が生成されました。拡大する光のない宇宙が、超高温のインフレーションの瞬間の後に冷えるにつれて、これらの小さな波は徐々に幅が数十万光年にまで広がりました。
そして、突然、光が現れました。インフレーションが終わってから約 38 万年後に出現した「最後の散乱の表面」では、光子が解放され、あらゆる方向に移動できるようになりました。そしてここにトリックがあります:重力波は電子を動かします。光子の一部は、インフレーション中に量子力学的に生成され、古典的な物体となった重力波によって移動する電子から反射しました。
理論によれば、これらの光子は B モードと呼ばれる偏光のカール パターンを生成し、これは電子が重力波と相互作用するときに起こることと因果関係があるということです。
天体物理学者は、この B モード偏光パターンは宇宙マイクロ波背景放射の中で非常にかすかに記録されると予測しました。 BICEP2 が CMB で検出した偏光パターンは、事実上、原始重力波のスナップショットである可能性があります。
あるいは、それは、天の川の周りに浮遊するシリコン塵の飛散によって偏光された光子によって生成されたパターンである可能性があります。これは、138 億年前のパターンと同一の、より若い B モード パターンである可能性があります。
重力波の証拠を見つけることがなぜそれほど重要なのでしょうか?
原始重力波の存在を発見することで、ビッグバンの10～35秒後に、大型ハドロン衝突型加速器で探査できるエネルギー領域の1兆倍のエネルギー規模で起こった物理現象への扉が開かれることになる。実際、私たちは重力子の運動、つまり量子化された重力を見ていることになります。
つまり、インフレ理論は証明可能性が高いということになりますね?
理論を証明するとはどういう意味ですか?私たちはたいてい物事を反証します。インフレには非常に多くのバージョンがあるため、インフレは理論というよりはシナリオです。インフレシナリオは実験によって検証された予測を立てており、それは素晴らしいことです。しかし、私の見解は、インフレは私たちを正しい方向に導くものではあるが、それが最終的な理論ではないということです。
そうは言っても、非ダスト B モード信号が BICEP2 研究者らの主張と同じくらい大きい場合、量子力学と一般相対性理論の領域を統合するエネルギー スケールでの大規模なインフレーションの存在が必要になります。強い重力波が存在すれば、競合する量子重力理論の多くが排除され、今後の正しい道が示されるでしょう。
BICEP2 チーム メンバーはプランク データを誤って分析しました。
BICEP2 研究者自身のデータの解釈にはどのような問題がありますか?
実験の難しさは、B モード信号のどの程度が塵やその他の考えられるデータ汚染物質であるかを判断することにあります。 B モード信号全体からこれらの量を差し引くと、残りがあれば、古代の重力波によるものになります。 BICEP2 は、150 GHz の単一無線周波数で空の非常に高感度な測定を行いました。単一周波数の読み取りだけでは、B モード信号が銀河塵によって引き起こされたのか、それとも重力波によって引き起こされたのかを知ることはできません。多周波数データが必要です。
BICEP2 が検索を 1 つの周波数に制限したのはなぜですか?
150 GHz が最も感度の高い検出器を構築できる周波数であることがわかりました。このアプローチは問題ありませんが、B モード パターンの起源を確認するには、より高い周波数とより低い周波数の範囲も調査する必要があります。ただし、地上の望遠鏡で検索可能な周波数を選択するには信号対雑音の制約があります。たとえば、地上では、酸素は 60 GHz の無線ノイズを発し、水は 120 GHz の騒音を発します。
プランク衛星などの宇宙望遠鏡は、重力によって引き起こされる B モード偏光パターンを見つけるためのより優れた装備を備えていますか?
宇宙機器の設計は打ち上げの 5 ～ 6 年前に凍結する必要があるため、地上の検出器は宇宙の望遠鏡よりも技術的に進んでいます。しかし、宇宙は亜大気よりもはるかにクリーンな環境です。酸素や水の信号によってデータが汚染されたり、特定の周波数の使用が制限されたりする心配はありません。宇宙ベースの望遠鏡は、空のより広い範囲を探索できますが、運用コストがはるかに高くなります。これはトレードオフですが、最大限の範囲をカバーするには地上と宇宙の両方からのデータが必要です。
プランクは、BICEP2 が提案した重力波信号が本物かどうかを判断できるでしょうか?
塵は周波数が高くなるほど明るくなります。 Planck は 353 GHz チャネルで動作しています。塵は、BICEP2 によって検索された 150 GHz よりも 353 GHz の方が 20 倍明るいです。プランクが 353 GHz の分極した塵からの弱い信号のみを検出した場合、重力波を発見したという BICEP2 の主張にさらに自信が持てることになります。しかし、プランクが 353 GHz で多くの B モード偏波を観測した場合、悲しいことに、BICEP2 の発見は偏光した塵となるでしょう。
BICEP2 に対する批判の 1 つは、研究者らが 1 年前の会議で示されたプランク スライドから得られたダスト分布に関する概要データを考慮に入れたことです。
BICEP2 チームのメンバーはプランク データを誤って分析しました。彼らは、塵の分極が B モード信号の原因となる可能性は 100 万分の 1 しかないと主張しました。それは、彼らがプランク スライドに表示された要約結果を誤解したためです。
なぜ生のプランク データを使用しなかったのですか?
プランクの生データは年末まで公開されません。
BICEP2 の科学者にデータへのアクセスを依頼しましたか?
はい、しかし彼らはデータが調整されていないとして、公開を拒否しました。
そのようなデータを保持するのは一般的なことですか?
データを収集した機器の限界を理解している科学者によって適切に調整されるまで、生データを秘密にしておくのは問題ありません。ただし、自分のデータに基づいて論文を出版したい場合は、そのデータを公開する必要があります。
この論争は、科学の仕組みについての一般の人々の認識にどのような影響を与えると思いますか?
楽観的なシナリオは、人々がお互いのデータをチェックすることで、国民が「これは素晴らしい、科学に役立つ」と言うだろうということです。ソーセージがきれいに作られていれば、良いレストランはキッチンに窓があることを気にしません。私の右翼フェイスブックの友人の一人が述べたように、マイナス面は次のとおりです。もし科学者たちが重力波を誤解しているのなら、なぜ地球温暖化について彼らを信じる必要があるのでしょうか?
訂正:この記事は、WMAP チームの理論家としての David Spergel の役割を反映するために、2014 年 7 月 4 日に改訂されました。彼は主任研究者ではありませんでした。
この記事は ScientificAmerican.com に転載されました。
