Was war die wichtigste Entdeckung zu Gravitationswellen, die am 17. März 2014 im BICEP2-Experiment gemacht wurde?

Das eigentliche Papier (pdf) ist sehr schwer in der Fehlerquantifizierung - und das zu Recht. Sie präsentierten ein experimentelles Ergebnis, das statistisch äußerst schwer zu erhalten ist. Aber für den Rest von uns ist der Abschluss der wichtigste Teil. Die Zusammenfassung sagt:

Das beobachtete B-Modus-Leistungsspektrum wird durch ein Linsen-$\lambda$CDM + tensortheoretisches Modell mit Tensor/Skalar-Verhältnis r = 0,20

Soweit ich das beurteilen kann, ist dies ihre Schlussfolgerung. Um zu verstehen, müssen wir die Komponententheorien verstehen.

• Lambda-CDM_model ist im Grunde ein Kosmologiemodell
• Der Cosmic Microwave Background (CMB) ist das Licht der letzten Streuung aus der Zeit, als das frühe Universum noch undurchsichtig war
• Die skalaren Dichtestörungen (Fluktuationen) des CMB stammen von Quantenfluktuationen im Energieuniversum, und dies waren die „Samen“, die die Bildung von Galaxien ermöglichten und die Struktur hervorbrachten, in der wir leben.
• Das Tensor/Skalar-Verhältnis (Variable r ) in der Arbeit ist ein Maß für die Größe der Tensor-Schwankungen des CMB relativ zu den bereits gemessenen Skalar-Schwankungen. Ich vergewissere mich, indem ich sage, dass die Tensorschwankungen "Vektor" -Fluktuationen sind.
• Der B-Modus ist die Art des Polarisationssignals. Anscheinend wurde früher ein anderer Typ dieses Signals entdeckt, aber das entzieht sich meinem Verständnis.

Die Arbeit macht auch sehr deutlich, dass der r-Wert nicht 0 ist. Ihr Experiment beweist diese Tatsache$5.9 \sigma$. Nach meinen Maßstäben macht das die Behauptung wahr.

Der Physiker, der dies vorhergesagt hat, wurde von jemandem besucht, der daran gearbeitet hat, und es gibt ein Video davon online . Die ersten Worte waren, dass "es 5 Sigma bei 0,2 ist". Das 5-Sigma bedeutet nur, dass es richtig ist. Die .2 bezieht sich auf den obigen r-Wert. Das war der Schock, auf den sich die Medien beziehen. Die Tatsache r=.2 ist hier eine neue Information für die Wissenschaft.

Der Blog-Beitrag des Blogs eines anderen Benutzers ist ebenfalls sehr informativ. Es ist auch viel schwerer auf die Auswirkungen der Entdeckung. Zum Beispiel gibt uns die Entdeckung viel bessere Informationen über die Energie, bei der die Inflationsepoche stattfand. Die Auswirkungen der Entdeckung sind jedoch außerordentlich weitreichend. Ich würde also sagen, dass die spezifische Entdeckung, um die es hier geht, darin besteht, dass r nicht gleich Null ist und nahe bei 0,2 liegt.

Hier sind einige Zitate aus dem ersten Teil des Papiers, die auf die Beweggründe für das Experiment überhaupt hinweisen. Betonung von mir:

Inflation sagt voraus, dass die Quantisierung des Gravitationsfeldes, gekoppelt mit exponentieller Expansion, einen ursprünglichen Hintergrund stochastischer Gravitationswellen mit einer charakteristischen spektralen Form erzeugt (Grishchuk 1975; Starobinsky 1979; Rubakov et al. 1982; Fabbri & Pollock 1983; Abbott & Wise 1984; auch siehe Krauss & Wilczek 2013).

Die Formulierung hier ist entscheidend, beachten Sie "Quantisierung des Gravitationsfeldes". Das ist die Quantengravitation und eine theoriebasierte Vorhersage, die zu einem gemessenen Ergebnis geführt hat. Für mich ist diese Tatsache noch unglaublicher, als direkte Beweise für Gravitationswellen zu bekommen. Tatsächlich scheint dies nach meiner Lektüre von der Behandlung der Eigenschaften des Gravitons im Kontext von Quantenfeldern zu stammen.

Für mehr Details:

Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass diese Gravitationswellen in modernen Instrumenten direkt nachweisbar sind, hätten sie dem CMB eine einzigartige Signatur aufgedrückt. Gravitationswellen induzieren lokale Quadrupolanisotropien im Strahlungsfeld innerhalb der Oberfläche der letzten Streuung, wodurch eine Polarisation im gestreuten Licht induziert wird (Polnarev 1985). Dieses Polarisationsmuster enthält eine "Curl"- oder B-Modus-Komponente bei Grad-Winkelskalen, die ursprünglich nicht durch Dichtestörungen erzeugt werden können.

Hier geht es darum, wie man von Gravitationswellen zur Polarisation kommt. Ich bin mir immer noch ein wenig unsicher darüber, welche Eigenschaft von Gravitationswellen genau dazu führt. Ihre Visuals -Seite gibt mir jedoch einen hilfreichen Hinweis. Siehe ihre Darstellung der Polarisierung . Die "Dichtewelle" war das, was ich typischerweise mit einer Gravitationswelle in Verbindung gebracht hatte. Ich erkenne jedoch an, dass auch eine kompliziertere Alternative möglich ist. Dies ist trivialerweise wahr, weil die allgemeine Relativitätstheorie Tensoren verwendet. Es ist der Unterschied zwischen dem Schieben eines Slinky nach vorne und hinten und von Seite zu Seite. Wenn wir über diese Side-to-Side-Modi sprechen, würde ich erwarten, dass dies die durchlaufenden Dinge polarisiert ... im Gegensatz zu einer Rotverschiebung und einer Blauverschiebung zurück.

Mehr dazu:

Die Gravitationslinsenbildung des Lichts des CMB durch eine großräumige Struktur zu relativ späten Zeiten erzeugt kleine Ablenkungen des ursprünglichen Musters und wandelt einen kleinen Teil der Energie des E-Modus in B-Modi um.

Dies sieht so aus, als würde es einige der feineren Details abdecken, erklärt aber auch, warum sich diese Arbeit von früheren Experimenten unterscheidet, die angeblich Ergebnisse sowohl im E-Modus als auch im B-Modus haben. Der Polarisationseffekt scheint, solange er alt genug ist, notwendigerweise von Quantengravitationseffekten herrührt.

Ich habe 3 noch detailliertere Punkte, die ich aus verschiedenen Beschreibungen dieses Ereignisses gefunden habe. Diese beziehen sich darauf, was gemessen wurde, was BICEP2 von anderen Experimenten unterscheidet und warum das Experiment so wichtig ist. Diese spezifischen Details sind:

• Das gesuchte Muster war eine 45$^{\circ}$Polarisation relativ zum Temperaturgradienten (?).
• Das Festlegen einer Untergrenze für den Wert von r war der neuartige Beitrag von BICEP2
• Eine als Lyth-Grenze bezeichnete Beziehung berechnet die Zeit/Energie der Inflation aus diesem r-Wert

Die erste Kugel stammt aus einem Youtube-Video von Minute Physics . Sie geben an, dass die Dichte, Bewegung und Temperatur der Materie bei der Entstehung des CMB seine Polarisierung beeinflusst. Da wir uns nicht auf Schwerewellen beziehen, erwarten wir eine Polarisation bei 0$^{\circ}$und 90$^{\circ}$relativ zum Temperaturgradienten (Anmerkung: Es gibt einige Verwirrung im Video, ob dies die Dichte des Temperaturgradienten ist, sie sagen eine Sache, schreiben aber eine andere). Sie sagen weiter, dass das BICEP2-Ergebnis ist, dass etwa 15 % der Polarisierung von der 45 kommt$^{\circ}$"Wackeln", das sind märchenhafte Zeichen von Gravitationswellen. Es ist viel schwieriger zu erklären, warum das wahr sein sollte.

Nächster Aufzählungspunkt - lassen Sie uns klären, warum dies wichtig ist, wenn dasselbe durch frühere Experimente gemessen wurde. Andere Experimente haben den r-Wert geschätzt, aber diese Schätzungen sind inhärent um r = 0 gruppiert. Dies schränkt den Wert immer noch ein, aber es ist nicht effektiv zu bestimmen, ob er nicht Null ist, was für Theoretiker von Wert ist. Dies hängt zweifellos mit meinem ersten Punkt zusammen - dass die kritische Messung die Messung des Polarisationswinkels relativ zum Dichtegradienten eines Skalarfelds beinhaltet.

Dritter Aufzählungspunkt, etwas, das als Lyth-Bindung/Beziehung bezeichnet wird, wird in Diskussionen zu diesem Thema oft zitiert. Für mehr Lesestoff gibt es eine Diskussion über Quora . Die Gleichung lautet:

Die Variable$N_e$wurde durch frühere Experimente gemessen. Es wird an verschiedenen Stellen zitiert, einschließlich wissenschaftlicher Folgeartikel , dass das BICEP2-Ergebnis die obige Gleichung eingrenzt$\Delta \phi \approx 9.6 M_{pl}$. Die verbleibende Variable ist nur die Planck-Masse. Ich glaube , dass diese Zahl als die Energie interpretiert wird, die die Inflation „durchflossen“ hat. Praktischer ausgedrückt gibt uns dies die Energie/Zeit, zu der die Inflation stattfand. Hierher kommen die Leute, wenn sie erwähnen, dass dieses Ergebnis uns erlaubt, weiter in die Vergangenheit zu blicken.

Sie gaben bekannt, dass durch die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds durch das BICEP2-Experiment in der Antarktis, insbesondere der Polarisation auf einer Winkelskala von 2 bis 4 Grad, Gravitationswellen aus der Inflation während des frühen Universums indirekt beobachtet werden.

Link zu FAQs zum Release:

http://bicepkeck.org/faq.html

Link zum Vorabdruck:

http://bicepkeck.org/b2_respap_arxiv_v1.pdf

Link zu Bildern und Bildunterschriften der Pressemitteilung:

http://bicepkeck.org/visuals.html

Basierend auf Messungen des B-Modus der Polarisation von CMB-Photonen berichtet BICEP2 in Bezug auf das Lamba-CMB + -Tensormodell, dass das Tensor-zu-Skalar-Verhältnis (r) ist

$r = 0.20_{-0.05}^{+0.07}$mit einem Konfidenzniveau von 68 %, ohne die Auswirkungen von Staub zu berücksichtigen.

$r = 0.16_{-0.05}^{+0.06}$wird berichtet, wenn es für ein Modell korrigiert wird, das Staub berücksichtigt.

Andere Ergebnisse des Südpolteleskops und des Planck-Satelliten, die auf groß angelegten Temperaturmessungen des CMB basieren, haben das Tensor/Skalar-Verhältnis auf bestätigt$r<0.11$auf dem Konfidenzniveau von 95 %.

Aktualisierung 6/2014:

In der veröffentlichten Version der Ergebnisse stellt die BICEP2-Gruppe fest, dass "polarisierte Staubemission möglicherweise stärker ist als jedes der in der Veröffentlichung betrachteten Modelle" und dass sie "die Möglichkeit einer Staubemission, die hell genug ist, um das gesamte überschüssige Signal zu erklären, nicht ausschließen kann".

Dr. Matt Strassler hat einige großartige Informationen auf seiner Website, siehe hier:

http://profmattstrassler.com/2014/03/17/a-primer-on-todays-events/ http://profmattstrassler.com/2014/03/17/bicep2-new-evidence-of-cosmic-inflation/ http://profmattstrassler.com/2014/03/18/if-its-holds-up-what-might-bicep2s-discovery-mean/

Hier ist eine Zusammenfassung einiger wichtiger Punkte in meinen eigenen Worten (alle Fehler sind meine eigenen):

Es wird angenommen, dass das Universum im ersten winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall eine extrem schnelle Expansion durchmachte, die als Inflation bekannt ist. Wir können Reststrahlung sehen, nicht so weit zurück, sondern 380.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum endlich kühl genug war, um Elektronen an Protonen zu binden. Diese Strahlung wurde untersucht und als sehr gleichmäßig befunden. Es hat leichte Temperaturschwankungen, die ebenfalls untersucht wurden. Diese Beobachtungen stützen die Idee der Inflation. Die Temperaturschwankungen werden als Folge von Quantenfluktuationen im frühen Universum verstanden, und diese Fluktuationen wurden zusammen mit allem anderen durch die Inflation in die Luft gesprengt (ausgedehnt).

Zusätzlich zu den Temperaturschwankungen gibt es auch kleine Schwankungen in der Polarisation der Strahlung. Diese gibt es in zwei Typen, E-Modus und B-Modus. Die Polarisation im E-Modus hat eine ähnliche Ursache wie die Temperaturschwankungen. (Prof. Strassler hat ein schönes Bild, das den Unterschied veranschaulicht.) Die E-Mode-Polarisation wurde vor einiger Zeit untersucht, und dabei wurde nichts Überraschendes gefunden. Die B-Modus-Polarisation auf kleinen Skalen (d. h. beobachtet über kleine Himmelsflecken) kann aus der E-Modus-Polarisation oder aus Gravitationslinsen entstehen, die auftraten, als die Strahlung auf ihrem Weg zu uns war. Aber eine großräumige B-Modus-Polarisation ist ein Beweis für etwas anderes: Gravitationswellen, die durch Inflation erzeugt werden. Das wird durch das neue Ergebnis behauptet: großflächige B-Modus-Polarisation.

Einige wichtige Dinge, die Sie sich merken sollten:

(1) Während die Experimentatoren eine B-Modus-Polarisation auf einem Niveau von mehr als 5 Sigma detektierten, kann man nicht sagen, dass es sich um eine 5-Sigma-Detektion von inflationären Gravitationswellen handelt. Um Prof. Strassler zu zitieren: „Dafür benötigen sie genügend Daten, um zu zeigen, dass ihre beobachteten Daten im Detail mit den Inflationsvorhersagen übereinstimmen ."

(2) Dies ist keine direkte Beobachtung von Gravitationswellen. Vielmehr wird angenommen, dass sie beobachten, wie Gravitationswellen, die im ersten Bruchteil einer Sekunde des Universums erzeugt wurden, die 380.000 Jahre später erzeugte Strahlung beeinflussten.

(3) Dies ist nicht die erste indirekte Beobachtung von Gravitationswellen. Das war der Hulse-Taylor-Doppelpulsar, der zu einem Nobelpreis führte. Im Wesentlichen wurde festgestellt, dass zwei Neutronensterne einander umkreisen und Energie auf eine Weise verlieren, die mit dem übereinstimmt, was Sie erwarten würden, wenn sie Gravitationswellen ausstrahlen.

(4) Es ist die erste indirekte Beobachtung von durch Inflation erzeugten Gravitationswellen.

(5) Es ist ein sehr wichtiges Ergebnis (wenn es richtig ist), weil es ein Beweis für die Inflation ist und helfen kann, festzustellen, welche Inflationstheorie richtig ist.

(6) Es ist auch ein sehr wichtiges Ergebnis (falls korrekt), weil es uns die Energiedichte während des Aufblasens mitteilt. Dies deutet auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells auf dieser Energieskala hin. Und wie sich herausstellt, die Energieskala,$10^{16}$GeV, liegt ungefähr dort, wo sich die Kopplungskonstanten für die elektromagnetischen, schwachen und starken Kräfte vereinen.

(7) Wie alle neuen experimentellen Ergebnisse sollte es mit einem Körnchen Salz aufgenommen werden, bis ein anderes Experiment es reproduziert.

Auch dies ist nur meine Zusammenfassung, ich empfehle dringend, alle Links durchzulesen, die ich oben gepostet habe.

Ich denke, der Vollständigkeit halber muss jemand erklären, dass diese "Entdeckung" keine Entdeckung, sondern ein Fehler war. Dies soll nicht leugnen, dass es sich um sorgfältige und ernsthafte wissenschaftliche Bemühungen handelte, aber die Datenanalyse hat die Wirkung von interstellarem Staub unterschätzt, und außerdem dauerte es nicht lange, bis Experten auf diesem Gebiet dies vermuteten (ich meine, sie vermuteten, dass die Schlussfolgerung ernst war sofort fraglich, nach nur wenigen Stunden der Prüfung). Kurz gesagt, die experimentellen Daten von BICEP2 aus dem Jahr 2014 zeigten nicht auf die eine oder andere Weise, ob es eine Gravitationswellen-Signatur in der kosmischen Hintergrundstrahlung gibt.

Interessante Lektionen. Eine Schlagzeile der Zeitung lautete: „Entdeckung ursprünglicher Gravitationswellen läutet ‚ganz neue Ära‘ in der Physik ein“. Eine Antwort auf dieser Seite erwähnt: "Das Papier ist auch sehr klar, dass der r-Wert nicht 0 ist. Ihr Experiment beweist diese Tatsache mit 5,9σ." Wenn dies$\sigma$die Standardabweichung bei einer Normalverteilung ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Ergebnis zufällig eintritt, wenn$r$ist wirklich null ist etwa 1 in 6 Millionen. Aber das ist hier natürlich nicht der Fall. Tatsächlich war die Signalanalyse fehlerhaft, da der Staub nicht korrekt modelliert wurde.

So wie ich es verstanden habe, haben die beteiligten Wissenschaftler anschließend beide eine weitere Studie durchgeführt und waren nach einiger Überlegung auch der Meinung, dass die Art und Weise, wie die Öffentlichkeit beim ersten Mal gehandhabt wurde, nicht so gut war, wie sie es sich wünschen würden. Ich möchte betonen, dass die Bemühungen hier von hoher Qualität waren und dieser Ansatz möglicherweise eine Gravitationswellensignatur erkennen lässt. Erklärungen dazu, was uns eine solche Signatur sagen würde, die in einigen der anderen Antworten hier gegeben werden, bleiben größtenteils gültig.

Astrophysiker der BICEP2 - Kollaboration gaben die Entdeckung inflationärer Gravitationswellen im B-Modus- Leistungsspektrum bekannt , was starke Beweise für Guths Theorie der Inflation und des Urknalls liefert .

Hier ist eines meiner Lieblingsvideos von Assistenzprofessor Chao-Lin Kuo, der Professor Andrei Linde mit Beweisen überrascht, die die Theorie der kosmischen Inflation stützen.

Die Entdeckung, die Kuo und seine Kollegen beim BICEP2-Experiment gemacht haben, repräsentiert die ersten Bilder von Gravitationswellen oder Wellen in der Raumzeit. Diese Wellen wurden als die „ersten Erschütterungen des Urknalls“ beschrieben.

Wir haben bisher nur auf die CMB-Zeit zurückgeblickt – also etwa 300.000 Jahre nach BB. Nachdem wir nun diesen Gravitationseindruck auf dem CMB betrachtet haben, haben wir unsere früheste Beobachtung auf etwa 10^-35 Sekunden verschoben. Das ist ein enormer Sprung in unserem Verständnis (ein Faktor von etwa 10^47), und das ist wahrscheinlich der beeindruckendste Aspekt dieses Ergebnisses für den Laien.

Außerdem haben wir jetzt den allerersten Hinweis darauf, dass die Schwerkraft quantisiert ist.

Und es scheint, dass sich die Raumzeit wirklich schneller ausdehnen kann als das Licht. Vielleicht werden unsere Ingenieure eines Tages in der Lage sein, diese erstaunliche Eigenschaft unseres Universums auszunutzen.