初期宇宙からの重力波:BICEP2 の発見|物理

2010 年から 2012 年まで BICEP2 実験が行われた南極研究ステーションにいる Chao-Lin Kuo 氏。

Chao-Lin Kuo 氏のご厚意

3月17日、4人の天体物理学者からなる委員会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で記者会見を開き、宇宙の最初の瞬間からの重力波と一致する宇宙マイクロ波背景背景（CMB）の特徴を発見したと発表した。パネリストのスタンフォード大学のチャオリン・クオ氏は、この結果は数十年前のインフレーション理論の予測と一致し、ビッグバン後の極微の瞬間に、私たちの宇宙が光速より速く膨張したことを示す最初の直接的な証拠を提供したと述べた。

クオ氏は、この画期的な成果をもたらした望遠鏡内の高感度光子検出器を設計していました。南極の寒くて乾燥した大気の中で 3 年間、宇宙銀河系外偏光の背景イメージング (BICEP2) 望遠鏡は、138 億年前のビッグバンの残骸である CMB から光子を収集しました。捕捉された光子の強度と偏光を記述する情報は、さまざまな研究所で働く 47 人の研究者からなる国際共同研究に衛星によって送信されました。徐々に、偏光のパターンが現れました。研究者らは当初、このデータを原始重力波の証拠として解釈することに消極的だった。彼らは、このパターンが重力波ではなく天の川の塵によって生成された可能性を含め、信号に関する別の説明を排除するために努力しました。

しかし、時間の経過とともに、BICEP2 チームは、カールした「B モード」偏光パターンが膨張時の重力波によって生成されたものであると確信するようになりました。記者会見と同時に、BICEP2チームは実験の方法と結果を詳述した査読なしのプレプリント論文を発表し、「Bモード宇宙論の新時代が始まった」と記した。スタンフォード大学広報室は、クオ氏がインフレ理論の創始者の一人でスタンフォード大学の物理学者アンドレイ・リンデ氏にこの発見のニュースを伝えるビデオクリップを作成した。この感情を揺さぶる動画は急速に広まり、この記事の執筆時点で YouTube で 280 万回の再生回数を獲得しました。

ビデオ:チャオリン・クオ助教授は、宇宙インフレーション理論を裏付ける証拠を示してアンドレイ・リンデ教授を驚かせます。この発見は、BICEP2 実験で Kuo 氏とその同僚によって行われたもので、重力波、または時空の波紋の最初の画像を表しています。これらの波は「ビッグバンの最初の微動」と呼ばれています。

スタンフォード

しかし、発見の高揚感は長くは続きませんでした。5月、欧州宇宙機関のプランク宇宙観測所は、重力波を発見したというBICEP2の主張を台無しにするCMBダスト偏極マップを発表しました。宇宙学者は、B モード信号が望遠鏡の観測前景に浮遊するシリコン塵によって生成された可能性があるという根拠に基づいて、BICEP2 の主張を批判する論文を発表しました。

6 月中旬、Physical Review Letters は BICEP2 の改訂論文を発表しました。研究者らは測定自体の精度を支持したが、これまで重力波だと考えられていたものの原因が銀河塵にある可能性があると指摘した。

クアンタ・マガジンは、改訂論文の出版の数日前にシカゴ大学で開催された宇宙論会議でクオ氏に取材した。これは、その会話を要約して編集したものであり、電子メールによるフォローアップです。

QUANTA MAGAZINE:BICEP2 でのあなたの役割は何ですか?

CHAO-LIN KUO:私はジェット推進研究所で超電導アンテナ技術を設計し、望遠鏡の建設を監督しました。この技術を用いて、原始重力波の存在を検出できる装置を開発しました。そして現在、私たちは BICEP2 の隣に配備された追加の望遠鏡である Keck Array を構築することにより、BICEP2 の感度を大幅に向上させました。また、BICEP3と呼ばれる次世代望遠鏡の開発にも取り組んでいます。 Keck アレイと BICEP3 は、BICEP2 が中断した重力波の探索を再開します。

私は実験者で、測定を行って理論上のチップをどこにでも落下させることが仕事です。

ネット上で話題になった YouTube ビデオの中で、あなたが「r =0.2」というフレーズをアンドレイリンデに話すと、彼は大喜びします。その方程式の意味は何ですか?

1990 年代半ば、理論家たちは、宇宙マイクロ波背景放射の偏光状態を調べることで重力波を直接探索できることに気づきました。 BICEP2 望遠鏡を使用して、南極の空の小さな領域の偏光をマッピングするのに 3 年かかりました。あまり専門的な話にはなりませんが、CMB の二極化は、つまるところ、E モードと B モードと呼ばれる 2 つの異なるタイプのパターンを見つけることになります。

私たちが観測したマイクロ波背景の偏光の 20% は B モードであることがわかりました。これは、重力波や銀河塵などの発生源によって引き起こされる可能性があります。他の CMB 実験から入手可能なダストマップを使用して、銀河塵やその他の発生源が観測された B モード信号の大部分を引き起こした可能性を無視し、重力波を最も単純な説明として残しました。

方程式「r =0.2」は、全偏光の 20 パーセントが重力波によって引き起こされることを意味します。重要なのは、これはインフレのエネルギー規模を評価できることを意味します。 r =0.2 の場合、エネルギースケールは十分に大きいため、宇宙が誕生したときに重力と量子力学が結合したに違いありません。これにより、リンデやアランガスなどの他の宇宙学者が提案した大規模インフレーションモデルが検証されます。

仕事を始めたとき、インフレ理論を検証することを期待していましたか?

実験家として、私は検証可能なアイデアを探しており、インフレは検証可能な予測を立てました。私は個人的にはインフレーション理論の説明力が好きです。しかし、私は実験者であり、その仕事は測定を行い、理論上のチップをどこにでも落下させることです。

宇宙の歴史 BICEP2は、ビッグバンの最も初期の瞬間のBモード信号から重力波を発見したと主張している。

上腕二頭筋 2

BICEP2が重力波の発見を発表した後、ラファエル・フラウガー、デヴィッド・スパーゲル、マイケル・J・モートンソン、ウロシュ・セルジャックを含む多くの宇宙学者が、あなたやあなたの同僚が重力波の証拠として解釈しているBモードも同様に銀河塵の雲によって引き起こされる可能性があると論文を書きました。それらは正しいですか?

別の説明を提案するのは科学においてごく普通のプロセスです。 BICEP2 では、150 GHz の周波数で非常に重要なレベルの B モード偏波が見られました。私たちは信号を消そうと 1 年間試みましたが、失敗しました。信号はまだ残っています。私たちは今、それが空からのものであり、楽器の人工物からのものではないことを確信しています。 10 年以上にわたり、天文学者たちは、私たちの銀河系の前景にある偏光塵を、約 5% の低いまたは適度な偏光でモデル化してきましたが、これは私たちの信号を説明するのに十分ではありません。また、BICEP1 望遠鏡によって 100 GHz の周波数で収集されたデータから、B モード信号が重力波であることを裏付ける証拠がいくつかあります。重力波は依然として可能性の高い説明であり、最も経済的な説明です。

しかし、私たちがプレプリントを発表した後の 5 月初旬に、プランク共同研究機関は 350 GHz の偏波測定から得た塵の偏波データを発表しました。このデータは、空全体の塵の分極が予想よりも深刻であることを示しています。

新しいプランクデータの公開は、3 月に発表した重力波の発見にとって何を意味しますか?

プランク地図は、私たちの望遠鏡が観測する南極上空の地域をカバーしていませんでした。プランク氏は近いうちにさらに多くのデータを発表する予定だ。もし私たちが「運が悪い」場合には、プランクが観測した偏光した塵によって私たちの B モード信号がすべて説明できる可能性があります。それで待ちます。

Physical Review Letters に掲載された BICEP2 論文の改訂版では、あなたのチームは元の調査結果についてあまり確信が持てないと述べています。なぜですか?

プレプリントを公開する前にプランクから手元にあったのは、1 年以上前に作成されたプレゼンテーションのスライドの地図だけでした。スライドを見たときに、その画像が何を意味するのかについての仮定を立て、その仮定に基づいて塵の分極の最善の推定を行いました。私たちの仮定は、銀河塵の分極に関する以前のモデルと基本的に一致していました。スライドは私たちがアクセスできた唯一のプランクダストマップだったため、私たちの仮定を完全に確認することはできませんでした。改訂された論文では、不確実性のため、プランク画像に基づくダストモデルを削除しました。

プランクの生データにアクセスできなかったのですか?

塵の分極範囲についての仮定を立てたとき、プランクの生データはありませんでした。そして、プランクがデータを発表したとき、南極の観測地域は地図から除外されました。プランクが私たちの空の領域に関するさらに多くの塵偏極データを発表すれば、B モードが重力波なのか塵なのかについて、より良いアイデアが得られるでしょう。

新しいプランクデータとその後の批判を踏まえて、重力波の発見を発表したことについてどう思いますか?

私たちは粉塵に関して不確実性があることを常に認識してきました。そして今、不確実性はさらに大きくなっているようです。

結果に対して感情的に投資する必要があります。

個人的には真実だけが気になります。常に見た目を良くすることに心配はありません。私が気にしているのは、データに見られる偏光信号のうち、どれだけが塵によって引き起こされているのか、そしてどれだけが原始重力波によって引き起こされているのかということだけです。実験者として、私たちは可能な限り最高の測定をしたいと考えています。記者が「ああ、何か悪いことをしたね！」と言うと、それは私にとって有害です。実際のところ、私たちは現在、新しい情報に基づいて解釈を調整しています。重要なのは、データポイントは 1 ビットも移動していないことです。進化したのは解釈だけです。

BICEP2 チームの全員は、過剰な B モード信号が重力波によって引き起こされたという当初の解釈に同意していましたか?

プレプリントを公開した時点で私たちが入手していた情報では、データに関して同意できる点はまったくありませんでした。 Planck、Keck Array、BICEP3 から、すぐにさらに多くのデータが得られる予定です。 BICEP2 信号が前景の塵であるか原始重力波であることが判明するかに関係なく、私たちは研究を進めていきます。

重力波の発見を競う研究グループは、発見を発表する前に生データを共有すべきでしょうか?

私たちは他のグループと協力してデータを共同分析する予定です。データの公開は簡単なことではありません。さまざまなグループは CMB データを異なる方法で処理し、機器のプロパティも異なるため、理解する必要があります。 2020 年に向けて、さまざまな研究グループ間でのさらなるデータ共有を求める CMB-S4 と呼ばれるコラボレーションが進行中です。