Gelombang ketidakpastian

Pada Januari tahun ini, dilaporkan bahawa balai cerap LIGO merekodkan, mungkin peristiwa kedua penggabungan dua bintang neutron. Maklumat ini kelihatan hebat di media, tetapi ramai saintis mula mempunyai keraguan yang serius tentang kebolehpercayaan penemuan "astronomi gelombang graviti" yang baru muncul.

Pada April 2019, pengesan LIGO di Livingston, Louisiana, mengesan gabungan objek yang terletak kira-kira 520 juta tahun cahaya dari Bumi. Pemerhatian ini, yang dibuat dengan hanya satu pengesan, di Hanford, telah dilumpuhkan buat sementara waktu, dan Virgo tidak mencatatkan fenomena itu, tetapi menganggapnya sebagai isyarat yang mencukupi untuk fenomena itu.

Analisis Isyarat GW190425 menunjuk kepada perlanggaran sistem binari dengan jumlah jisim 3,3 - 3,7 kali jisim Matahari (1). Ini jelas lebih besar daripada jisim yang biasa diperhatikan dalam sistem bintang neutron binari di Bima Sakti, iaitu antara 2,5 dan 2,9 jisim suria. Telah dicadangkan bahawa penemuan itu mungkin mewakili populasi bintang neutron berganda yang belum pernah diperhatikan sebelum ini. Tidak semua orang menyukai pendaraban makhluk ini melebihi keperluan.

1. Visualisasi perlanggaran bintang neutron GW190425.

Fakta adalah bahawa GW190425 direkodkan oleh pengesan tunggal bermakna saintis tidak dapat menentukan lokasi dengan tepat, dan tiada jejak pemerhatian dalam julat elektromagnet, seperti dalam kes GW170817, penggabungan pertama dua bintang neutron yang diperhatikan oleh LIGO (yang juga diragui , tetapi lebih lanjut mengenainya di bawah). Ada kemungkinan bahawa ini bukan dua bintang neutron. Mungkin salah satu objek Lubang hitam. Mungkin kedua-duanya. Tetapi kemudian mereka akan menjadi lubang hitam yang lebih kecil daripada mana-mana lubang hitam yang diketahui, dan model untuk pembentukan lubang hitam binari perlu dibina semula.

Terdapat terlalu banyak model dan teori ini untuk disesuaikan. Atau mungkin "astronomi gelombang graviti" akan mula menyesuaikan diri dengan ketegasan saintifik bidang pemerhatian angkasa lepas?

Terlalu banyak positif palsu

Alexander Unziker (2), ahli fizik teori Jerman dan penulis sains popular yang dihormati, menulis di Medium pada bulan Februari bahawa, walaupun jangkaan besar, pengesan gelombang graviti LIGO dan VIRGO (3) tidak menunjukkan apa-apa yang menarik dalam setahun, kecuali positif palsu rawak. Menurut saintis itu, ini menimbulkan keraguan serius tentang kaedah yang digunakan.

Dengan Hadiah Nobel dalam Fizik 2017 dianugerahkan kepada Rainer Weiss, Barry K. Barish, dan Kip S. Thorne, persoalan sama ada gelombang graviti boleh dikesan nampaknya diselesaikan sekali dan untuk semua. Keputusan Jawatankuasa Nobel membimbangkan pengesanan isyarat yang sangat kuat GW150914 dibentangkan pada sidang akhbar pada Februari 2016, dan isyarat yang telah disebutkan GW170817, yang dikaitkan dengan penggabungan dua bintang neutron, kerana dua teleskop lain merekodkan isyarat menumpu.

Sejak itu, mereka telah memasuki skim saintifik rasmi fizik. Penemuan itu menimbulkan tindak balas yang bersemangat, dan era baru dalam astronomi dijangka. Gelombang graviti sepatutnya menjadi "tingkap baharu" kepada Alam Semesta, menambah kepada senjata teleskop yang diketahui sebelum ini dan membawa kepada jenis pemerhatian baharu sepenuhnya. Ramai yang membandingkan penemuan ini dengan teleskop Galileo 1609. Lebih bersemangat lagi ialah peningkatan sensitiviti pengesan gelombang graviti. Harapan untuk berpuluh-puluh penemuan dan pengesanan menarik semasa kitaran pemerhatian O3 yang bermula pada April 2019 adalah tinggi. Walau bagaimanapun, setakat ini, Unziker menyatakan, kami tidak mempunyai apa-apa.

Tepatnya, tiada isyarat gelombang graviti yang direkodkan sejak beberapa bulan lalu telah disahkan secara bebas. Sebaliknya, terdapat bilangan positif dan isyarat palsu yang tidak dapat dijelaskan, yang kemudiannya diturunkan tarafnya. Lima belas acara gagal dalam ujian pengesahan dengan teleskop lain. Selain itu, 19 isyarat telah dikeluarkan daripada ujian.

Sebahagian daripadanya pada mulanya dianggap sangat penting - contohnya, GW191117j dianggarkan sebagai peristiwa dengan kebarangkalian satu dalam 28 bilion tahun, untuk GW190822c - satu dalam 5 bilion tahun, dan untuk GW200108v - 1 dalam 100. tahun. Memandangkan tempoh pemerhatian yang sedang dipertimbangkan bukanlah genap setahun, terdapat banyak positif palsu tersebut. Mungkin ada yang salah dengan kaedah isyarat itu sendiri, komen Unziker.

Kriteria untuk mengklasifikasikan isyarat sebagai "kesilapan", pada pendapatnya, tidak telus. Ia bukan sekadar pendapatnya. Ahli fizik teori terkenal Sabina Hossenfelder, yang sebelum ini menunjukkan kelemahan dalam kaedah analisis data pengesan LIGO, mengulas di blognya: "Ini membuat saya sakit kepala, kawan-kawan. Jika anda tidak tahu mengapa pengesan anda mengambil sesuatu yang anda tidak jangkakan, bagaimana anda boleh mempercayainya apabila ia melihat apa yang anda jangkakan?

Tafsiran ralat menunjukkan bahawa tiada prosedur sistematik untuk memisahkan isyarat sebenar daripada yang lain, selain daripada untuk mengelakkan percanggahan yang nyata dengan pemerhatian lain. Malangnya, sebanyak 53 kes "penemuan calon" mempunyai satu persamaan - tiada siapa kecuali wartawan yang menyedarinya.

Media cenderung meraikan penemuan LIGO/VIRGO secara pramatang. Apabila analisis dan carian seterusnya untuk pengesahan gagal, seperti yang telah dilakukan selama beberapa bulan, tiada lagi keghairahan atau pembetulan dalam media. Dalam peringkat yang kurang berkesan ini, media langsung tidak menunjukkan minat.

Hanya satu pengesanan yang pasti

Menurut Unziker, jika kita mengikuti perkembangan situasi sejak pengumuman pembukaan berprofil tinggi pada 2016, keraguan semasa tidak seharusnya mengejutkan. Penilaian bebas pertama data telah dijalankan oleh pasukan di Institut Niels Bohr di Copenhagen yang diketuai oleh Andrew D. Jackson. Analisis data mereka mendedahkan korelasi aneh dalam isyarat yang tinggal, yang asalnya masih tidak jelas, walaupun dakwaan pasukan bahawa semua anomali dimasukkan. Isyarat dijana apabila data mentah (selepas prapemprosesan dan penapisan yang meluas) dibandingkan dengan templat yang dipanggil, iaitu isyarat yang dijangka secara teori daripada simulasi berangka gelombang graviti.

Walau bagaimanapun, apabila menganalisis data, prosedur sedemikian sesuai hanya apabila kewujudan isyarat itu ditubuhkan dan bentuknya diketahui dengan tepat. Jika tidak, analisis corak ialah alat yang mengelirukan. Jackson membuat ini sangat berkesan semasa pembentangan, membandingkan prosedur dengan pengecaman imej automatik plat lesen kereta. Ya, tiada masalah dengan bacaan tepat pada imej kabur, tetapi hanya jika semua kereta yang lalu lalang berdekatan mempunyai plat lesen dengan saiz dan gaya yang betul-betul sesuai. Walau bagaimanapun, jika algoritma digunakan pada imej "dalam alam semula jadi", ia akan mengenali plat lesen daripada sebarang objek terang dengan bintik hitam. Inilah yang Unziker fikir boleh berlaku kepada gelombang graviti.

3. Rangkaian pengesan gelombang graviti di dunia

Terdapat keraguan lain tentang metodologi pengesanan isyarat. Sebagai tindak balas kepada kritikan, kumpulan Copenhagen membangunkan kaedah yang menggunakan ciri statistik semata-mata untuk mengesan isyarat tanpa menggunakan corak. Apabila diaplikasikan, kejadian pertama September 2015 masih jelas kelihatan dalam keputusannya, tetapi ... setakat ini sahaja yang ini. Gelombang graviti yang begitu kuat boleh dipanggil "nasib baik" sejurus selepas pelancaran pengesan pertama, tetapi selepas lima tahun, kekurangan penemuan yang disahkan selanjutnya mula menimbulkan kebimbangan. Jika tiada isyarat signifikan secara statistik dalam tempoh sepuluh tahun akan datang, adakah akan ada penampakan pertama GW150915 masih dianggap nyata?

Ada yang akan mengatakan bahawa ia kemudian pengesanan GW170817, iaitu isyarat termonuklear bintang neutron binari, selaras dengan pemerhatian instrumental sinar gamma dan teleskop optik. Malangnya, terdapat banyak ketidakkonsistenan: pengesanan LIGO tidak ditemui sehingga beberapa jam selepas teleskop lain mencatat isyarat itu.

Makmal VIRGO, yang dilancarkan hanya tiga hari sebelum itu, tidak memberikan isyarat yang boleh dikenali. Selain itu, terdapat gangguan rangkaian di LIGO/VIRGO dan ESA pada hari yang sama. Terdapat keraguan tentang keserasian isyarat dengan penggabungan bintang neutron, isyarat optik yang sangat lemah, dan lain-lain. Sebaliknya, ramai saintis yang mengkaji gelombang graviti mendakwa bahawa maklumat arah yang diperolehi oleh LIGO adalah lebih tepat daripada maklumat dua teleskop yang lain, dan mereka mengatakan bahawa penemuan itu tidak mungkin berlaku secara tidak sengaja.

Bagi Unziker, adalah satu kebetulan yang agak mengganggu bahawa data untuk kedua-dua GW150914 dan GW170817, peristiwa pertama seumpama ini yang dicatatkan pada sidang akhbar utama, diperoleh dalam keadaan "tidak normal" dan tidak boleh diterbitkan semula dalam keadaan teknikal yang lebih baik pada masa itu ukuran siri panjang.

Ini membawa kepada berita seperti letupan supernova yang sepatutnya (yang ternyata menjadi ilusi), perlanggaran unik bintang neutronia memaksa saintis untuk "memikirkan semula tahun kebijaksanaan konvensional" atau bahkan lubang hitam 70-solar, yang oleh pasukan LIGO disebut sebagai pengesahan terlalu tergesa-gesa tentang teori mereka.

Unziker memberi amaran tentang situasi di mana astronomi gelombang graviti akan memperoleh reputasi yang terkenal kerana menyediakan objek astronomi "tidak kelihatan" (jika tidak). Untuk mengelakkan perkara ini daripada berlaku, ia menawarkan ketelusan kaedah yang lebih besar, penerbitan templat yang digunakan, piawaian analisis dan menetapkan tarikh tamat tempoh untuk acara yang tidak disahkan secara bebas.