Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2

Рис. 1. Микроволновой телескоп BICEP2 (справа) наблюдает за поляризацией космического реликтового излучения и ищет в ней следы мощных гравитационных волн, порожденных в самой ранней Вселенной (слева). Однако на эти измерения накладывается засветка от совершенно постороннего источника — теплового излучения пыли в нашей галактике. Новые данные, обнародованные обсерваторией Planck, показывают, что пренебрегать этой пылью нельзя. Рисунок с сайта simonsfoundation.org

Полгода назад эксперимент BICEP2 сообщил о наблюдении характерных особенностей в поляризации космического реликтового излучения, которые могли быть вызваны сильными гравитационными волнами, возникшими в сверхранней Вселенной на стадии космической инфляции. Хотя это сообщение произвело фурор в астрофизике и физике элементарных частиц, было сразу высказано подозрение, что BICEP2 недооценил вклад от гораздо более прозаичного источника той же поляризации — теплового излучения межзвездной пыли в нашей галактике. Появившиеся на днях новые данные обсерватории Planck, к сожалению, подтверждают это подозрение: выясняется, что результат BICEP2 можно полностью списать на галактическую пыль. Есть ли какой-то сигнал от гравитационных волн в данных BICEP2 или нет — теперь неизвестно, но чрезмерно оптимистичная их интерпретация уже закрыта.

Сенсационный результат BICEP2 и галактическая пыль

Реликтовое микроволновое излучение вновь стало одной из самых горячих тем в астрофизике. Полгода назад коллаборация BICEP2, изучающая поляризацию реликтового излучения, обнародовала сенсационный результат. В полученных их телескопом картах поляризации были обнаружены так называемые B-моды — характерные особенности поляризации, которые могли быть вызваны сильными гравитационными волнами, гулявшими по Вселенной в эпоху ее бурной молодости. А эти гравитационные волны, в свою очередь, могли возникнуть только в самые первые мгновения — даже не секунды, а безумно маленькие доли секунд — с момента возникновения Вселенной, в период сверхбыстрого раздувания, называемого инфляцией. Подробный рассказ про этот результат и его значение см. в нашей новости Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции, а также в заметке Реликтовые гравитационные волны: последний штрих в картине происхождения Вселенной? из газеты «Троицкий вариант».

Несмотря на осторожные формулировки и стандартные призывы подождать подтверждения другими экспериментами, это сообщение произвело в астрофизике и физике элементарных частиц настоящий фурор: статья BICEP2 собрала 690 цитирований за полгода. Не то чтобы открытие стало полной неожиданностью — в конце концов, сам этот эксперимент, а также его научные конкуренты как раз были нацелены на изучение карты поляризации реликтового излучения и на поиск B-мод. Ажиотаж вызвало, во-первых, само сообщение о регистрации долгожданного эффекта, во-вторых, неожиданно большая величина сигнала, а в-третьих, те научные возможности, которые при этом открывались. Все-таки в последние десятилетия физикам не так часто попадались экспериментальные результаты, которые подтверждали бы новые фундаментальные свойства нашего мира, открытые вначале теоретиками.

Впрочем, почти сразу же стали раздаваться скептические голоса. Измерение — это хорошо, но для правильной интерпретации необходимо убедиться, что никакие известные посторонние источники не могли случайно произвести что-то подобное. Одна из наиболее беспокоящих возможностей — это тепловое излучение пыли в межгалактическом пространстве нашей собственной галактики. Пыль эта находится при температуре около 20 K. Хотя максимум ее теплового излучения приходится на высокие частоты порядка нескольких ТГц, оно чувствуется и на частоте 150 ГГц, на которой работал BICEP2. Более того, пылинки несферической формы выстраиваются в галактическом магнитном поле, и их тепловое излучение тоже частично полязировано. В частности, оно чисто случайно может организоваться в такое распределение, которое будет напоминать искомые B-моды далекого реликтового фона (рис. 1).

Исследовательская группа, конечно, была в курсе этой потенциальной проблемы, поэтому выбрала для наблюдения довольно небольшой участок неба, относительно свободный от галактической пыли. Кроме того, в своей статье авторы проанализировали, какую «засветку» можно от этой пыли ожидать, и пришли к выводу, что списать на нее зарегистрированный ими сигнал нельзя.

На это, однако, стали появляться возражения. Дело в том, что поляризация галактической пыли не была измерена самим этим экспериментом. BICEP2 мог бы отделить «пыль» от «сигнала», если бы провел измерения на нескольких частотах — ведь интенсивность излучения от пыли очень сильно растет с повышением частоты. Однако он выполнил все свои измерения только на одной фиксированной частоте. Поэтому оценить вклад пыли исследователи могли, лишь взяв данные других установок и экстраполировав их в свою область частот. Эта процедура привносила дополнительные неопределенности в оценку «запыленности» данных BICEP2. Разобраться с этой ситуацией помогли бы новые данные космической обсерватории Planck, которая как раз изучает в мельчайших подробностях все измеряемые характеристики реликтового излучения, обозревая при этом всё небо целиком, а не только небольшой его участок. Однако эти данные задерживались.

Несколько исследовательских групп, сомневаясь в правильности оценок вклада от галактической пыли, решили разобраться самостоятельно. Например, в апрельской публикации было отмечено, что примерно в том направлении, в котором смотрел на небо BICEP2, находится край галактического пузыря, дающий свой вклад в поляризацию излучения; см. подробности в заметке И снова о гравитационных волнах. Тем временем в мае подоспели сразу несколько статей обсерватории Planck с общим обзором и многочисленными более детальными исследованиями теплового излучения от галактической пыли (рис. 2). Непосредственного сравнения с результатами BICEP2 там, впрочем, не было. Однако уже несколько дней спустя в двух статьях, arXiv:1405.5857 и arXiv:1405.7351, были предприняты независимые попытки совместить данные двух экспериментов друг с другом, а также с более ранними наблюдениями. Общий вывод оказался таков: полученные BICEP2 данные можно объяснить как гравитационными волнами, так и излучением пыли. В свете новых данных Planck неопределенности выглядели слишком большими, чтобы отдать предпочтение какой-то из гипотез. Все стали с еще большим нетерпением ждать официальных результатов обсерватории Planck касательно этого спора.

Рис. 2. Карта поляризации микроволнового излучения в галактических координатах, полученная обсерваторией Planck на частоте 353 ГГц. Степень поляризации закодирована цветом: от нулевой (синий) до 20% (красный). Серым цветом показаны участки, закрытые маской: поляризация в них не связана непосредственно с галактической пылью. Изображение из статьи Planck Collaboration, 2014. Planck intermediate results. XIX. An overview of the polarized thermal emission from Galactic dust

Надо сказать, что сама коллаборация BICEP2 внимательно отнеслась к возникшей полемике, стараясь проверить возражения и учесть новые данные. По ходу дела эволюционировали и формулировки их заявлений. Например, когда в июне их статья была наконец-то опубликована в журнале Physical Review Letters, в ней, в свете новых результатов, уже более сдержанно говорилось о гравитационно-волновой интерпретации, хотя коллектив BICEP2 по-прежнему ее придерживался.

Долгожданные результаты обсерватории Planck

На днях в архиве е-принтов вышла долгожданная статья обсерватории Planck, в которой обсуждаются поляризационные характеристики излучения от галактической пыли. Также в новой работе была целенаправленно изучена и та область неба, в которой ведет свои наблюдения телескоп BICEP2. Как и раньше, основные измерения проводились на частоте 353 ГГц, при которой галактическая пыль является главным источником поляризации микроволнового излучения по всему небу. Данные по интенсивности, распределению и по степени поляризации излучения были затем пересчитаны на частоту 150 ГГц, на которой вел свои наблюдения BICEP2. Из-за того что такой пересчет вносит дополнительные неопределенности, а также стараясь максимально усилить вклад от реликтового излучения, Planck не стал представлять их в виде подробной карты, а разбил небо на крупные «лепестки» подходящего размера и привел данные по каждому лепестку.

На рис. 3 цветом показано, насколько сильно поляризационная картина от галактической пыли должна «забивать» возможный вклад от гравитационных волн. Главный результат состоит в том, что в той области неба, которую изучал BICEP2 и которая показана здесь черным контуром, галактическая пыль дает B-моды поляризации примерно такой интенсивности, которую и обнаружил BICEP2 (именно это означает голубой цвет на рисунке). Этот результат, конечно, не означает, что в сигнале, полученном BICEP2, гравитационных волн точно нет. Может быть, они там есть, и может быть даже, их вклад не столь уж и мал, такого же порядка интенсивности, как и засветка от галактической пыли. Но этот результат точно ставит крест на слишком оптимистичной интерпретации данных BICEP2: считать их доказательством регистрации инфляционных гравитационных волн нельзя. Ажиотаж полугодичной давности оказался преждевременным.

Рис. 3. Оценка «запыленности» B-мод, извлеченных из поляризации микроволнового излучения от разных участков неба. Левая и правая карты показывают участки неба в высоких галактических широтах северной и южной галактической полусферы. Красным показаны участки, в которых галактическая пыль будет полностью забивать возможный сигнал от гравитационных волн, синим — участки неба, в которых помехи от галактической пыли будут минимальны. Черным контуром показан тот участок, в котором вел наблюдения телескоп BICEP2. Изображение из обсуждаемой статьи

Впрочем, новая работа коллаборации Planck — это еще не окончательное слово в этой истории. Все-таки есть большое количество тонкостей как в самих инструментах, так и в обработке полученных ими данных, которыми два эксперимента сильно различаются. Чтобы вынести окончательный вердикт — по крайней мере, данным BICEP2 полугодичной давности, — требуется провести еще более аккуратный анализ, пересчитывающий данные Planck прямо в ту область, в которой работал BICEP2, с учетом всех особенностей. Эта работа сейчас ведется совместно обеими группами.

Также у BICEP2 остаются еще возможности для улучшения результатов и даже шансы возродить свою заявку на открытие. Во-первых, начал работу их обновленный телескоп Keck Array; вскоре ожидается запуск и еще более продвинутой его версии — BICEP3. Он позволит получить карту поляризаций на частоте не 150, а 100 ГГц, а значит, у исследователей появятся два набора измерений на разных частотах. При достаточной точности измерений это им позволит напрямую отделить галактическую пыль от искомого сигнала. А во-вторых, новые результаты Planck содержат не только критику, но и подсказку для BICEP2 — а также для других экспериментов с той же научной задачей. Оказалось, что их телескоп направлен не на самый оптимальный участок неба. Области, окрашенные на рис. 3 темно-синим цветом, подходят для этой цели куда больше, поскольку в них поляризационная засветка от галактической пыли гораздо ниже. И этим подарком природы охотникам за инфляционными гравитационными волнами пренебрегать не стоит.

Источник: Planck Collaboration. Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes // е-принт arXiv:1409.5738 [astro-ph.CO].

См. также:
Олег Верходанов. Реликтовые гравитационные волны в свете данных обсерватории Planck.

Игорь Иванов