| Ivan Milić

Pre nekoliko meseci bili smo svedoci najave potencijalno vrlo velikog otkrića – primordijalnih gravitacionih talasa koji su indirekti dokaz za teoriju inflacije. Euforija je bila velika, pominjale su se i Nobelove nagrade, ali sada mislimo da je za posmatrani signal odgovorno nešto mnogo manje spektakularno – polarizovana emisija prašine u našoj galaksiji.

svemir
foto: Wikimedia

“So it's TB, but not TB?”
“I'm complicated.”
House M.D.

U gorepomenutoj epizodi (do skoro) popularne serije, doktor Haus prvo mora da izleči pacijenta od tuberkuloze da bi eliminisao dvosmislene simptome i pronašao koja (po pravilu opskurna) bolest leži u pozadini...

Pre nekoliko meseci ste na b92/nauka mogli da čitate o potencijalno epohalnom otkriću primordijalnih gravitacionih talasa. Zaključak je posledica posmatranja mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Za ovu vest su odgovorni naučnici iz projekta BICEP2, koji su prilično dugo (nekoliko godina), sa Južnog pola, posmatrali jedan isti deo neba i merili polarizaciju mikrotalasnog poladinskog zračenja (CMB : cosmic microwave background). Projekat je posmatrački odradjen skoro savršeno, medjutim, jedina sporna i potencijalno sumnjiva tačka u zaključivanju kolega iz eksperimenta BICEP2 se, izgleda, ispostavila kao pogrešna. Ovo smo shvatili zahvaljujući posmatranjima svemirskog teleskopa Planck. Krenimo iz početka....

Polarizacija CMB-a

BICEP2 je jedan od teleskopa koji su dizajnirani za merenje polarizacije mikrotalasnog pozadinskog zračenja. U pitanju je svetlost koja je emitovana kada je svemir bio oko hiljadu puta manji nego danas. CMB stiže do nas sa svih strana i danas ga vidimo kao radio zračenje. U vreme kada je CMB emitovan svemir je bio mnogo homogeniji, gušći i vreliji. Sama posmatranja intenziteta ovog zračenja i merenje jako malih odstupanja od homogenosti su nam dala ogromnu količinu informacija i dubok uvid u to kako je svemir izgledao u ranim fazama evolucije ali od skoro smo počeli da se zanimamo ne samo intenzitetom CMB-a već i njegovom polarizacijom.

Svetlost je talas, i to transverzalni, kao npr. talas koji se prostire duž zategnute žice. Kod transverzalnih talasa možemo definisati ravan oscilovanja, tj. polarizaciju talasa. U principu, svaka takva oscilacija se može razložiti na dve koje se prostiru u uzajamno normalnim ravnima. Ako jedna od te dve ravni “dominira”, kažemo da je svetlost polarizovana. Polarizacija nastaje u različitim procesima a jedan od njih je rasejanje na slobodnim česticama kao što su elektroni. Ideja BICEP2 eksperimenta se zasniva na posmatranju polarizacije (tzv. B mode) mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Otkud polarizacija?

Ovaj tekst, realno gledano, nema mesta da se bavi javnom zabludom oko reči “teorija”. To što je, npr. teorija inflacije teorija ne znači da treba osuti drvlje i kamenje na kosmologe koji se istom bave. Formalno gledano, u nauci ne postoje “činjenice” - podaci uvek mogu da budu objašnjeni jako neverovatnim šumom a teorije i odgovarajući fizički modeli uvek mogu da budu “pogrešni” pošto nešto drugo u stvari može da objasni posmatrane podatke. Inflacija odlično opsuje plejadu posmatranih efekata i samim tim smo skloni da verujemo u istu (kao profesionalni astronom nemam problem sa korišćenjem reči “verovati” u ovom kontekstu).

Inflacija, teorija koja opisuje kako se svemir ponašao kada je bio jako mlad (prvih nekoliko delića sekunde) predvidja, u nekim svojim oblicima, i gravitacione talase. “Zaostaci” tih gravitacionih talasa bi doživeli i epohu kada je emitovano mikrotalasno pozadinsko zračenje. Gravitacioni talasi bi prouzrokovali anizotropiju u materiji koja rasejava zračenje, što bi rezultovalo specifičnim “potpisom” u polarizaciji CMB-a. BICEP2 i slični eksperimenti (BICEP, KECK, PolarBear) su dizajnirani sa namerom da ovu polarizaciju detektuju.

17. marta 2014. je BICEP2 tim obznanio detekciju B moda polarizacije u CMBu koju su interpretirali kao posledicu gravitacionih talasa. Euforija je bila velika i neki od “otaca” teorije inflacije (npr. Alan Gut i Andrei Linde) su čak pominjani kao mogući kandidati za Nobelovu nagradu. Radovi koji su dodatno interpretirali rezultate ili davali nova predvidjanja na osnovu njih su prštali levo i desno i ljudi koji se bave inflacijom su generalno bili jako srećni.

Šta je krenulo naopako?

Kao što visoka temperatura može da bude posledica nazeba ali i upale mozga, tako i većinu posmatranih efekata u astronomiji (a i u nauci uopšte) može da prouzrokuje više stvari. Suština interpretacije rezultata je u tome da se identifikuje koji su sve mogući izvori posmatranog signala, da se isti modeliraju (tj. da se opišu odgovarajučim jednačinama i da se fizički parametri tih objekata povežu sa veličinama koje se posmatraju), te da se, konačno, nadju parametri izvora koji se najbolje slažu sa posmatranjima, odnosno oni koji ih opisuju sa najvećom verovatnoćom. Ukoliko smo sigurni da signal koji želimo da posmatramo može da nastane samo na jedan način onda treba samo da se postaramo da je signal zaista i posmatran (tj. da je dovoljno iznad nivoa šuma) i to je, manje-više, to. U situacijama kada imamo više mogućih “krivaca” stvar je dosta komplikovanija.

Proces “zaključivanja” na osnovu posmatranja je ekstremno komplikovana stvar u nauci uopšte i nikako ga ne treba olako shvatati. U ovom tekstu nemamo ni mesta da se istim više bavimo, niti se autor oseća kompetentnim, ali treba imati vidu da je možda, svako opažanje, čak i u svakodnevnom životu, u stvari indirektno zaključivanje na osnovu posmatranja.

Takva je bila situacija i sa BICEP2 posmatranjima. Dodatni izvor polarizovanog zračenja na radio frekvencijama koje BICEP2 posmatra (150 GHz) je prašina koja se nalazi unutar naše galaksije. Kada dva efekta delaju zajedno, razdvojiti njihove doprinose nije trivijalno. U ovom slučaju potrebna su posmatranja prašine na drugim frekvencijama. Takva posmatranja vrši satelit Planck koji je trenutno referentna opservatorija za posmatranje CMB-a. U momentu kada su BICEP2 rezultati obradjivani, posmatranja sa Plancka nisu bila niti objavljena, a kamoli javno dostupna, pa je BICEP2 tim, izgleda, procenu polarizovanog zračenja prašine uradio vrlo “odokativno” - koristeći slajdove sa prezentacije Planck tima.

Ubrzo nakon pompezne najave BICEP2 rezultata javile su se prve sumnje. Neki od istraživača koji su proverili obradu podataka i izrazili sumnju su i Raphael Flauger sa Instituta za napredne studije u Prinstonu i Uroš Seljak sa Univerziteta Berkli (koji je, inače, medju prvima predložio korišćenje B moda polarizacije CMB-a kao test inflacije). Pojavilo se nekoliko radova koji su pokazali da je nivo zračenja prašine u izvornim BICEP2 rezultatima možda podcenjen, te da treba biti obazriv sa interpretacijom njihovih posmatranja. Ovde je važno da kažemo da nije bitno samo da li smo detektovali primordijalne gravitacione talase već je važno i da ih kvantitativno opišemo da bismo mogli da vidimo kom obliku teorije inflacije isti najviše odgovaraju, te da bismo samim tim saznali više o ovoj, jako ranoj, fazi univerzuma.

Konačna presuda se pojavila ovih dana. Planck kolaboracija je objavila rezultate posmatranja polarizovane prašine. Po svemu sudeći, njihova posmatranja sugerišu da je nivo polarizovane emisije prašine sasvim dovoljan da objasni ono što je BICEP2 posmatrao. Svega nekoliko dana kasnije, pojavio se rad Michaela Mortonsona i Uroša Seljaka koji se bavi zajedničkom analizom BICEP2 i Planck rezultata. Ključna rečenica u apsktraktu rada za nas, obične ljude, je:

“The resulting joint BICEP2+Planck analysis favors solutions without gravity waves...”

Dalja analiza ova dva autora pokazuje da na osnovu trenutno dostupnih posmatranja (BICEP2 + Planck) ne možemo da diskriminišemo izmedju modela sa i bez gravitacionih talasa te da su isti, ako postoje, dosta “slabiji” nego što smo mislili pre šest meseci.

Šta iz ovoga možemo naučiti

Vrlo je upadljiv nedostatak reakcije medija (barem domaćih) na nove Planck rezultate i nove radove koji su, faktički, opovrgavanje originalne senzacionalne vesti o gravitacionim talasima. Sama greška BICEP2 tima verovatno i ne predstavlja toliki skandal pošto je smisao objavljivanja rezultata i merenja upravo u tome da drugi mogu da ih provere i ponove ceo postupak jer se greške, ipak, dešavaju. Treba imati u vidu i da je BICEP2 tim u konačnoj verziji rada koji je objavljen u časopisu dao dosta konzervativniju i manje pompeznu interpretaciju rezultata od one na konferenciji za štampu 17. marta 2014. godine.

Predlozi, kritike i sugestije sa strane očigledno nisu bili ignorisani. Takodje, javna dostupnost podataka oba eksperimenta (BICEP2 i Planck) je omogućila da ljudi mogu nezavisno vrlo lako da provere sve tvrdnje oba tima i da, što je možda i važnije, daju svoju interpretaciju.

grafik
foto: Astronomy & Astrophysics
Slika: Tzv. “ugaoni spektar snage" polarizovane emisije na 150 GHz. Puna crna linija je ono što predvidja inflacija sa gravitacionim talasima dok je plava oblast procena za polarizovano zračenje prašine na osnovu Planck rezultata. Vidi se da polarizovano zračenje prašine može da objasni faktički sve ono za šta smo mislili da je polarizacija koju prouzrokuju gravitacioni talasi.

I, iako bi neko na osnovu ovoga rekao da je nauka “besmislena” pošto dolazi do ovakvih grešaka, da je to jedna “proizvoljna disciplina” u kojoj se stvari rade “ofrlje”, autor ovog teksta bi ponudio upravo drugačiju interpretaciju: Ovaj prelaz iz euforije za gravitacionim talasima na delimično razočarenje zbog toga što više nismo ni blizu sigurni da isti postoje, u stvari govori o tome koliko je nauka danas sjajna i koliko malo vremena je potrebno da se jedno otkriće proveri, te koliko su ljudi motivisani da stvari “isteraju na čistac” i shvate i objasne šta se zapravo dešava. U njihove motive neću ulaziti (želja za znanjem? Prestiž? Takmičenje?) ali meni ovaj dogadjaj daje veru u budućnost astronomije i čini da jedva čekam nova, preciznija posmatranja polarizacije CMB-a i njihovu interpretaciju.

Author: B92

Dodaj komentar