플랑크 위성의 새로운 데이터 분석에 따르면, 은하계 고위도에 있는 우주 먼지가 빅뱅 이론의 증거로 제시되었던 전체 소용돌이 패턴을 설명할 수 있는 것으로 나타났습니다.
이전에는 은하계에서 멀리 떨어진 우주 공간에 먼지가 얼마나 많이 쌓이는지 정확히 알 필요가 거의 없었습니다. 과학자들은 희미하게 방사되는 입자가 우리 은하의 자기장과 정렬되어 있으며 자기장의 뒤틀림이 먼지 빛에 미묘한 소용돌이를 일으킨다는 것을 이해했습니다. 그러나 그 소용돌이는 너무 희미해서 볼 수 없었습니다. 연구원들이 환상적으로 민감한 망원경으로 공간과 시간의 가장자리를 엿볼 수 있다고 주장한 3월 이후에만 먼지에 대한 계산이 필요해졌습니다. 마치 명금 둥지로 가장한 뻐꾸기 알처럼 그 패턴은 빅뱅에서 예측된 신호를 모방하기 때문입니다.
이제 과학자들은 원시 중력파의 증거로 주장되는 소용돌이 패턴(우주의 폭발적인 탄생으로 거슬러 올라가는 공간과 시간의 잔물결)이 모두 자기적으로 정렬된 먼지에서 비롯될 수 있음을 보여주었습니다. 플랑크 우주 망원경의 데이터에 대한 새로운 분석에서는 죽어가는 별에 의해 성간 공간으로 뿜어져 나온 작은 규산염과 탄산염 입자가 BICEP2 망원경이 감지한 신호의 100%를 차지할 수 있다는 결론을 내렸고 올 봄에 엄청난 환호를 받았습니다.
플랑크 분석은 "우리 신호 전체가 먼지에서 나온 것임을 배제할 수 없다는 점에서 상대적으로 확실하다"고 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 천체물리학자이자 BICEP2 협력 회원인 브라이언 키팅(Brian Keating)은 말했습니다.
"물론 우리는 실망했습니다."라고 플랑크 팀 멤버인 Université Paris-Sud의 Jonathan Aumont가 말했습니다.
새로운 먼지 분석은 BICEP2 신호의 일부가 "인플레이션"이라고 불리는 주요 빅뱅 이론의 오랫동안 찾아온 지문인 원시 중력파에서 비롯될 가능성을 열어줍니다. 우주론자 앨런 구스(Alan Guth)가 1980년에 제안한 것처럼, 우주가 이 짧은 기하급수적 팽창 기간으로 시작되었다면, 양자 크기의 파동은 우주 구조에 거대하고 영구적인 파동으로 뻗어갔을 것입니다. 이러한 중력파는 현재 하늘에서 감지할 수 있는 가장 오래된 빛인 우주 마이크로파 배경에 "B 모드" 편광이라는 소용돌이 패턴을 새겼을 것입니다.
하지만 뻐꾸기를 조심하세요.
널리 알려진 3월 17일 기자 회견에서 BICEP2 팀 리더인 하버드 대학의 John Kovac은 남극 기반 망원경이 원시 중력파의 "예측 패턴과 매우 밀접하게 일치하는" B 모드의 증거를 발견했다고 발표했습니다. Kovac은 "우리가 망원경을 훈련할 수 있는 가장 깨끗한 하늘 조각"인 은하계 먼지 평면에서 멀리 떨어진 공간 영역을 조사하고 이전 실험보다 12배 더 높은 감도로 들어오는 마이크로파의 편광을 측정한 후 그와 그의 동료들은 인플레이션의 증거를 발견했다고 확신했습니다.
그러나 발표 후 몇 달 동안 외부 전문가들은 과학자들이 현재 BICEP2 지역의 먼지 오염을 과소평가한 것으로 보이는 매우 불확실한 은하 먼지 방출 모델을 사용했다고 주장하면서 파울을 외쳤습니다. BICEP2와 관련이 없으며 하버드 이론가인 Avi Loeb는 "커뮤니티 전체가 이를 과소평가했습니다."라고 말했습니다.
BICEP2 망원경이 여러 마이크로파 주파수에서 B 모드를 감지할 수 있었다면 과학자들은 성간 먼지 알갱이에서 나오는 빛과 그들이 찾고 있는 더 오래된 빛을 쉽게 구별할 수 있었을 것입니다. 두 광원 모두 주파수가 높을수록 밝아지지만 먼지 방출은 더욱 극적으로 밝아집니다. B 모드 신호의 강도를 주파수 함수로 표시함으로써 과학자들은 곡선이 우주 마이크로파 배경의 얕은 상승과 유사한지 아니면 먼지 빛의 가파른 상승과 유사한지 결정할 수 있었습니다.
대신 팀은 최대 감도를 선택하고 단일 주파수인 150기가헤르츠를 수신하도록 감지기를 설계했습니다. “이것은 실험의 아킬레스건이었습니다.”라고 Loeb는 말했습니다.
더 높은 주파수는 먼지 방출에 의해 압도되고 더 낮은 주파수는 싱크로트론 복사라고 불리는 또 다른 "전경"에 의해 오염이 최소화된 최적의 지점에 도달했습니다. 그러나 단일 데이터 포인트는 모든 곡선에 있을 수 있습니다.
먼지에서 나온 신호의 비율을 직접 확인할 수 없었던 과학자들은 플랑크 과학자의 PowerPoint 슬라이드에 있는 예비 먼지 지도에서 잘못 추출된 데이터를 포함하여 하늘 패치의 기존 오염 모델에 의존했으며 먼지가 신호의 1/5 이하를 차지할 수 있다고 결론지었습니다. 현재 카네기 멜론 대학의 Raphael Flauger가 이끄는 그룹이 오류를 지적하고 플랑크 팀이 더 나은(아직 예비적이지만) 먼지 추정치를 발표한 후 Kovac과 그의 팀은 논문을 수정하고 주요 발견에 대한 주장을 막았습니다.
프린스턴 대학의 우주론자 라이먼 페이지는 “그들은 초기 발표에서 훨씬 더 신중했어야 했다”고 말했다. "전경의 불확실성이 너무 크기 때문에 원시 B 모드를 측정한다고 주장해서는 안 됩니다."
여러 주파수가 필요했습니다. 2009년부터 2013년까지 유럽 우주국의 플랑크 우주선에 탑재된 망원경은 7개의 서로 다른 마이크로파 주파수에서 하늘 전체의 편광을 측정했지만 특정 패치에서는 BICEP2보다 약 100배 덜 민감했습니다. 새로운 분석에서 플랑크 과학자들은 하늘을 BICEP2 관측 영역 크기의 패치로 분할하고 먼지 방출이 신호를 지배하는 고주파수인 353기가헤르츠에서 각 패치에 존재하는 B 모드 편광의 양을 계산했습니다. 다른 패치 중 일부는 BICEP2 패치에 비해 먼지 빛의 절반만 방출하여 Keating의 말에 따르면 "삐걱거리는 소리가 나지 않습니다."
353GHz 데이터에서 추정된 150GHz의 예상 먼지 오염을 보여주는 플랑크의 전체 하늘 지도. 가장 깨끗한 지역은 파란색으로, 가장 먼지가 많은 지역은 빨간색으로 표시됩니다. 은하 북반구는 왼쪽에, 남반구는 오른쪽에 나타나며, 대략적인 BICEP2 관측 영역의 윤곽이 검은 윤곽선으로 표시됩니다.
플랑크 협업
플랑크 망원경은 BICEP2에서 볼 수 있듯이 150기가헤르츠에서 희미한 B 모드를 감지할 수 있는 감도가 부족했지만 먼지 방출이 주파수에 따라 어떻게 달라지는지 대략적으로 파악함으로써 과학자들은 그 값을 353기가헤르츠에서 추정했습니다. 그들은 과도한 먼지 방출이 BICEP2에서 감지한 신호만큼 강한 B 모드 편광을 생성하며 대략 그 강도의 1/3 정도를 차지할 것이라고 계산했습니다.
새로운 분석에 크게 관여한 브리티시 컬럼비아 대학의 우주학자 더글러스 스콧(Douglas Scott)은 “그들은 먼지 방출이 적은 하늘의 일부를 찾을 수 있다고 어느 정도 가정했습니다.”라고 말했습니다. "그리고 플랑크의 결과는 하늘에서 먼지를 무시할 수 있는 부분이 없다는 것을 보여줍니다."
전체 B 모드 편파 중 정확히 얼마나 많은 양이 원시 중력파에서 나오는지는 집중적이고 지속적인 분석의 문제가 될 것입니다. 원시 신호가 있는 경우 그 강도는 r, 이라는 매개변수로 수량화됩니다. 인플레이션 동안 시공간을 주입하고 분열시킨 에너지의 양을 밝힐 것입니다. 인플레이션의 에너지 규모는 인플레이션이 발생한 이유에 대한 주요 단서가 될 것입니다.
스탠포드 대학의 인플레이션 이론가인 Eva Silverstein은 r의 가능한 값에 대해 "이것이 얼마나 흥미로운지 아무리 강조해도 지나치지 않습니다"라고 말했습니다. 최근 시카고에서 열린 강연에서요. Silverstein과 같은 이론가들은 r이 큰 필드 인플레이션과 작은 필드 인플레이션이라고 불리는 범주 간의 교차점인 0.01보다 큰지 작은지 알고 싶어합니다. 전자는 양자중력에 대한 포괄적인 이론의 세부사항을 밝혀줄 것입니다.
초기 BICEP2 분석은 r로 고정되어 있었습니다. 0.2(특정 대형 필드 인플레이션 모델에 해당)에서 플랑크 연구는 그 값을 0에 훨씬 더 가깝게 낮춥니다. 파도가 전혀 감지될 수 있다면 은하 먼지의 소용돌이 치는 안개 뒤에 있는 파도를 감지하려면 BICEP2보다 훨씬 더 강력한 망원경이 필요할 것입니다. 이미 최소 10개의 기존 또는 계획된 실험이r보다 약한 B 모드를 감지할 만큼 충분한 감도를 가지고 있습니다. =0.1. 아타카마 우주 망원경, 남극 망원경 및 결합된 BICEP/Keck Array는 모두 신호가 r보다 큰 경우 2~3년 내에 중력파의 B 모드를 측정할 수 있어야 합니다. =0.01. SPIDER라고 불리는 풍선으로 운반되는 기구는 결국 비슷한 감도를 달성하게 될 것입니다.
인플레이션 이론을 비판하는 사람들에게는 이러한 실험의 민감도가 높아졌다는 사실이 별로 위로가 되지 않을 수도 있습니다. 이 이론은 원시 B 모드가 발견되지 않더라도 생존할 수 있을 만큼 유연하므로 사실상 위조가 불가능합니다.
“r을 가진 모델이 많이 있습니다. 너무 작아서 이러한 실험에서는 볼 수 없을 것입니다.”라고 Silverstein 및 다른 사람들과 함께 r =0.07인 테스트 가능한 인플레이션 끈 이론 모델 개발을 도운 Flauger가 말했습니다.
펜실베니아 대학의 물리학 교수인 Mark Trodden은 전체 BICEP2 신호가 사라져도 인플레이션은 주요 빅뱅 이론으로 남을 것이라고 말했습니다. 그것은 우주의 매끄러움과 균일성을 설명하고 구조 형성의 메커니즘을 제공한다고 그는 설명했습니다. "그러나 이 모든 증거는 매우 상황에 따른 것입니다."
원시 중력파의 확인은 이론을 고정시켜 시간의 시작에 대한 모든 그림을 단번에 해결했을 것입니다. 키팅은 “아직 배심원단이 나오지 않았다”고 말했다.
11월에 나타날 것으로 예상되는 플랑크와 BICEP2의 데이터에 대한 공동 분석을 통해 남극 상공의 깨끗하지만 삐걱거리지는 않는 깨끗한 부분의 먼지 소용돌이와 원시 B 모드가 혼합되어 있는지 여부를 확인할 수 있습니다. Kovac은 협력을 통해 팀이 r 의 가치에 새로운 상한선을 설정할 수 있어야 한다고 말했습니다. — 원시 중력파가 존재한다면 특정 강도보다 약해야 한다는 확신 — 먼지 오염에 대한 "모델이 아닌 데이터에 의존".
Kovac은 “우리는 완전히 편견 없는 태도로 분석에 접근하고 있다고 약속할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "우리는 최종 답변이 무엇이든 다른 모든 사람들과 마찬가지로 여기에서 불확실성이 줄어들기를 간절히 바랍니다."
Loeb는 BICEP2의 성공은 이전 실험에 비해 민감도를 10배 증가시켰다고 말했습니다. “분명히 그들은 뭔가를 발견했습니다.”라고 그는 말했습니다. "그것의 의미는 해석이 무엇인지에 달려 있습니다. 먼지라면 우주론적인 의미는 전혀 없습니다."
이 기사는 2014년 9월 22일에 추가 세부정보로 업데이트되었으며 나중에 Wired.com에 재인쇄되었습니다.
