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当事科学家亲述诺奖级乌龙:我们测到的宇宙原初之光,到头来只是尘埃的恶作剧

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发表于 2018-8-6 05:05 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式
当事科学家亲述诺奖级乌龙:我们测到的宇宙原初之光,到头来只是尘埃的恶作剧

Brian Keating  企鹅科学  昨天

图片来源:nautil.us

找到宇宙诞生时的“第一缕光”,对于任何一位研究宇宙学的物理学家来说,恐怕都是难以抗拒的诱惑。2014 年,宇宙学家 Brain Keating 一度认为,他的 BICEP2 望远镜观测到了宇宙最初始的光——宇宙微波背景辐射的 B 模偏振。这项前无古人的发现点燃了世界,却在短短 6 个月后被证实是一场由宇宙尘埃导演的黄粱美梦。

在这个由当事科学家亲自讲述的故事中,除了那块被宇宙尘埃“摧毁”的诺奖奖章,我们还窥见了科学从胜利跌落到失利的那个瞬间。

来源 公众号 科研圈(keyanquan)
撰文 Brian Keating(加州大学圣迭戈分校物理学教授,宇宙学家)
翻译 贾晓璇
审校 徐文慧
编辑 徐文慧 魏潇

要追溯宇宙最初的起点(如果真有起点的话),就意味着要检验宇宙诞生的主导理论——暴涨(inflation)模型。暴涨模型于上世纪 80 年代初首次提出,弥补了更早提出的“大爆炸”(The Big Bang Theory)模型的缺陷。用“大胆”二字来评价暴涨模型都过于保守了:它暗示着我们的宇宙始于难以置信的光速甚至更高速度的膨胀。好在宇宙暴涨的持续时间远远小于一秒:尘埃一瞬,宇宙成形,造就万物。茫茫星系与星际空间,宇宙间的一切都在暴涨的一瞬尘埃落定。

遗憾的是,30 多年以来,暴涨模型一直得不到证实,甚至有人认为它本就无法被证实。但大家都认可的一点是:如果有谁能够探测到宇宙最初始的光、大爆炸中遗留下的热辐射——宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,CMB),那他就已经搭上了开往诺贝尔奖的直通车。


南极的 BICEP2(右侧建筑);
图片来源:Amble / Wikipedia

2014 年 3 月,终于有团队对这一永恒的问题作出了回答。17 日在哈佛大学举行的新闻发布会上,我们宣布 BICEP2 实验发现了第一个暴涨理论的直接证据,能够间接追溯到宇宙诞生的瞬间。

预想的是耳语,却听到巨吼
BICEP2 是一台小型望远镜,它是在南极洲安置的一系列望远镜中的第二台。十多年前我曾参与第一台(BICEP)的研发,那时我还是加州理工学院(California Institute of Technology)一个不起眼的博士后。出于一种将无形的宇宙诞生过程有形化的执念,我发明了这台望远镜。对我而言,如果我们成功了,诺奖将是最切实的奖励。

BICEP 的设计很简单:它是个小型折射望远镜,与伽利略望远镜(Galileo telescope)类似,在两个透镜的作用下,入射光被折射导向超灵敏探测器,而不是用肉眼直接观察。望远镜需要被放到一个鲜有人类干扰的地区,于是我们选择了南极。我们希望能靠它捕捉弥漫在整个宇宙空间的 CMB,它是宇宙暴涨后的余波,携带着大爆炸的信息。

多年来,BICEP2 一直在 CMB 中寻找一种旋回盘绕的偏振图样,即 B 模偏振(B-mode polarization),因为这种偏振信号是宇宙婴儿期产生的涟漪,故被认为只能是由引力波挤压和拉伸时空造成的。又是什么引起了这些波动呢?宇宙暴涨,只有它。因此 BICEP2 对这一模式的检测将成为暴涨期间产生原初引力波的证据,证明暴涨确实存在。

然后我们真的观测到了这一模式。没有回头路可走了。

哈佛天体物理学中心(Harvard's Center for Astrophysics)的新闻发布会吸引了世界各地的媒体,就连在线观看的人数都接近了 1000 万。从《纽约时报》到《经济学人》,再到印度发行的报刊,所有主流媒体都在头条报道了这一发现。麻省理工学院(MIT)的宇宙学家马克斯·特马克(Max Tegmark)甚至给出了这样的评论:“我在哈佛的新闻发布会上写下此文,宣布我心中有史以来最重要的科学发现之一。一小时内,它将传遍网络;不久之后,它将斩获诺奖。”

我们看到了长久以来整个世界都期待看到的东西。

但疑问仍存。最让人担忧的一点就是,BICEP2 获得的信号强度异常的大——本该是大海捞针,可我们却捞到了一根撬棍。消息宣布时,我们很担心会被竞争对手“普朗克”卫星(Planck satellite)击败,毕竟它是价值 10 亿美元、拥有完美天穹和优越地利的太空望远镜。在 BICEP2 的新闻发布会之前,“普朗克”已经排除了一个 B 模信号是原初 B 模偏振的可能性,而那个信号的大小约为我们这次探测到的一半。宇宙学家预想的是一声耳语,我们却宣称听到了一声巨响。

“普朗克”卫星占据着据地球 100 万英里的高空这样一个有利位置,没有重力,远离大气污染。它很有可能捕获我们捕获不到的信号。更糟糕的是,BICEP2 望远镜在两年前就被拆解了,我们连它当时的工作状态都无法判断。不过我们仍拥有一项最强大的武器:海量数据。

我们将收集到的海量数据集分成两部分,做成两幅图,一幅来自 BICEP2 前 18 个月的观察,一幅来自后 18 个月。尽管信噪比较低(因为每幅地图的数据量只有总数的一半),但是这两幅地图显示的信号相同。BICEP2 的天文学家用了几十种方法来分割数据,寻找两组探测器所得数据之间的差异,以及望远镜扫描方向不同(从左到右还是从右到左)而获得的数据之间的差异。团队中的每个人也绞尽脑汁来设想可能遗漏掉的某些怪诞场景。但即使是外星人发出的信号,其影响也不会这么惊人!

是尘埃,还是引力波?
BICEP2 的数据构成的图案精妙到使我不能呼吸,这正是暴涨理论预测的结果!但是随着一年的调查期结束,我们的担忧从一开始的隐约浮现,已经变得十分明朗:信号既不是来自南极,也不来自大气,更不是 BICEP2 自己产生的。如果不是来自宇宙的暴涨,还能来自哪呢?

一种可能的答案是:从伽利略时代以来,就困扰了无数天文学家的物质——尘埃。


BICEP2 在南极观测到的B模偏振;
图片来源:Shaffer Grubb

B 模式可能来自银河系的星际尘埃:微波被我们星系中的尘埃散射之后,也能得到类似的模式。那么该如何证明它不是尘埃,而是宇宙微波背景上的引力波的特征呢? 我们需要高频数据。

尘埃产生的偏振随频率的增加而急剧增加。但 BICEP2 的工作频率仅有 150 GHz,对应的波长约为 2 毫米。将工作频率翻一倍,尘埃的信号强度将增大两倍。如果真的是尘埃造成了这种 B 模式,那将频率增加到 300 GHz 就能将其分辨出来......要是我们真有这么高频率的数据就好了。

事实上,还真有这样的数据图,而它属于我们的竞争对手——“普朗克”卫星。直到 2014 年初,“普朗克”都没有公布他们的 B 模偏振数据。我们担心他们不仅掌握了证明我们测量结果正确与否的关键,更有可能在我们之前就已经捕捉到了暴涨理论的 B 模式信号。

我们拼命试图与“普朗克”团队合作,同时还不能让他们知道我们发现了什么,这种感觉就像在走钢丝。同时,BICEP2 的数据频率覆盖也是一个大难题。

最终,“普朗克”团队不愿合作。我们只能自力更生,用数量来补偿 BICEP2 在频率质量上的不足。我们用旧数据制作了五种不同的尘埃模型,这五种模型均能预测星系中某个区域的总辐射,即尘埃产生的总热量,但都不能给出我们在南极测得的偏振量。

事情很快出现了转机:研究银河偏振的专家、“普朗克”团队成员让-菲利普·伯纳德(Jean-Philippe Bernard)同年在网上传了一篇论文,展示了宝贵的尘埃分布的实际测量图。

测量图一经发现,我的同僚就将其数字化,推导出了我们没能要到的普朗克数据。但是我们都认为这是一种“偷偷摸摸”的做法,很多同僚也不赞成——我们使用了未经发表的数据,还将这张单一的、定性的图片其转化成数字化的信息。最终,我们得到了一个仅凭 BICEP 数据无法得到的模型,其中包含了我们渴望已久的信息。


是逐梦诺奖,还是哗众取宠?
担心可能会出现系统误差,“普朗克”团队并没有公开发表这张图片,但却把它放到了网上,可以公开下载。这些数据一开始仅仅是增加了我们的信心,而后发挥的作用越来越大,据此我们推导出银河系尘埃能够被忽略,证实了一个难以置信的结论:我们发现了暴涨理论的 B 模偏振!

我们之前对五个模型的分析也表明,看到的 B 模偏振极可能无法用尘埃来解释,普朗克的测量图仅仅证实了上述结果。决定性证据来自于我的 BICEP 望远镜(现已更名为 BICEP1)。BICEP2 观测天空时只有 150 GHz 这一个频率,在此频率下 CMB 强度最大;但 BICEP1 有三种频率:90、150 和 220 GHz,这就可以很大概率排除尘埃的影响。这种信号来自尘埃的概率仅有 5%。

如果你“仅有”95% 的概率中奖,你会买这张宇宙史上最诱人的彩票吗?毫无疑问会吧!普朗克的图片与 BICEP1 的数据合在一起,说服了包括我在内的团队所有 49 人。为了我们的诺贝尔梦,是时候发表结果了。

新闻发布会后,三周内发表的与我们研究结果直接相关的论文就有 250 篇。这个数量十分惊人:如果某篇论文几十年内能被引用 250 次,那就是一篇“高被引”论文了。在四月初的时候,我收到了物理学家马蒂亚斯·查达利亚加(Matias Zaldarriaga)的电子邮件,这封我以为会溢满祝贺之词的邮件,却充满了对研究细节上的盘问。

"尘卑而广者,徒来也。
——《孙子兵法》"

我一直在担心的“审判”就此拉开序幕。普林斯顿流言四起,都在谈论我们使用了未公开的普朗克图片中的数据。他在邮件中说:“普林斯顿的研究者对尘埃非常感兴趣,他们的解释使我相信,文中没有充足的理由来确认这不是尘埃造成的。请问你们有自己观测过前景( foregrounds )吗?”

我当然看过前景,我们整个团队都很担心会我们观测到的星系数据会产生伪原初 B 模引力波,但是来自 BICEP1 的低频数据和来自普朗克测量图的高频数据,让我们相信自己是正确的。

包括大卫·斯珀格尔(David Spergel)在内的诸多普林斯顿大学(Princeton University)研究者都对我们模拟尘埃的方式存疑。这是预料之中的事,也许他们只是因为有人在发现 CMB 这件事上挫败了他们,而感到沮丧。

马蒂亚斯写到:“我认为我们这儿,大家已经在不眠不休地探讨这件事了。”我心脏都紧张地停跳了,毕竟普林斯顿大学的宇宙学研究在全国数一数二,这个盛殿级的研究小组包括世界上最好的实验学家和理论学家。我们就像是在参与一场暴涨理论的审判。

马蒂亚斯告诉我,银河系的尘埃偏振比 BICEP2 的科学家们预想的要高。我们可能没注意到的是,我们将普朗克的测量图数字化,那他们也可以在结果未发表之前,将我们的图片转化为测量数据。成也图片,败也图片。

他补充说:“我只是希望最后能有一个客观的结果。怀疑之声不容小觑,所以我希望你们能加以回应,详尽解释一下你们是如何使用普朗克测量图中的数据的。”

5 月初,拉斐尔·弗罗杰(Raphael Flauger)及合作者对我们的数据分析完毕,结果对 BICEP2 很是不利。他表示我们使用了普朗克测量图中一个错误的尘埃偏振量,比正确值少 4 倍。如果真是这样,那 BICEP2 将会成为历史上最著名的“尘埃观测器”。

但弗罗杰的分析也不能决定一切。他很冷静地说:“我希望还有其他信号,我并不想引起一场争斗;科学就是这样,有人给出结果,就会有其他人加以检验。但这个过程一般不会呈现给公众。”我们对“普朗克”数据的解释有误,但这不代表着我们真的错了,还需要我们两方无法得到的新数据来检验。

转眼到了夏初,BICEP2 团队在惊慌失措的氛围下,一遍又一遍分析之前的数据、回应质疑,对媒体和学术会议做出解释。

科学之争存在的同时,还有媒体铺天盖地的评论。哈佛新闻发布会是否哗众取宠,成为所有科学领域中最热门的话题之一。我们收到的有关 BICEP2 太过张扬的批评,与不当使用测量图的批评一样多。

实际上标准的程序是先进行一个月的同行评审,而后再召开新闻发布会。但对 BICEP2 团队而言,这一过程存在许多问题,令人担忧:首先,在同行评审、重新编辑和提交的过程中,可能会被竞争对手抢先一步;其次,我们担心在杂志上发表论文并不公平,会把评议局限在一组特定的人身上。

《纽约时报》记者丹尼斯·奥弗比(Dennis Overbye)认为,先行召开新闻发布会,这种公开消息的过程有些哗众取宠。他表示:“科技新闻发布会的背后,是自负与张扬的并存。”

闹剧结束
2014 年 6 月,也就是我们召开新闻发布会后三个月,经过同行评议的论文发表在了 Physical Review Letters 上。我们采纳了两位匿名评审人的建议,去掉了所有我们从“普朗克”测量图上获得的数据。删去数据只是对舆论的屈服。“普朗克”团队承诺将很快解决这一问题,在未来几个月内发布最新的数据。

“普朗克”卫星能够在 353 GHz 进行观测,这一频率几乎只对尘埃敏感。这一频率为消除尘埃影响而生,我们都希望“普朗克”的 353 GHz 观测能挽回一切,量化测量图的质量,证实我们的结论。

等待的夏天炎热又漫长。

然而“普朗克” 353 GHz 观测的论文,给 BICEP2 团队无情地泼了一盆冷水。尽管“普朗克”团队在公布南极的测量数据时十分谨慎,他们有关南极尘埃偏振污染的结论却相当直白,认为“其与 BICEP2 观测值大小相同”。也就是说,是尘埃导致了我们所谓“暴涨理论 B 模引力波”的出现。


普朗克卫星的观测结果,颜色表示来自星际尘埃的热辐射;
图片来源:Shaffer Grubb

后来,“普朗克”团队又绘制出了银河尘埃偏振的图像,其中包括我们观测的南极天空。图片十分迷人,但我们的诺贝尔奖就此烟消云散:BICEP2 是一个非常精确的“尘埃探测器”。

BICEP2 撤稿之后,既没有了新闻发布会,也没有了网上疯狂传播的视频。紧跟着,“普朗克”团队出面清理了银河尘埃造成的“伪 B 模偏振”。BICEP2 的观测视野终受蒙蔽:构成那片“蔽目阴云”的,是一点恐惧,一点贪婪,和一片尘埃。

本文转自 公众号 科研圈(keyanquan)
原文链接:
http://nautil.us/issue/59/connections/how-my-nobel-dream-bit-the-dust?utm_source=frontpage&utm_medium=mview&utm_campaign=how-my-nobel-dream-bit-the-dust
发表于 2018-11-24 19:47 | 显示全部楼层
我们现在看到的光并不是宇宙初始之光。
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