2010년부터 2012년까지 BICEP2 실험이 진행된 남극 연구소의 궈 차오린.
궈 차오린 제공
3월 17일, 4명의 천체 물리학자로 구성된 패널은 매사추세츠주 케임브리지에 있는 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터에서 기자회견을 열어 우주 최초 순간의 중력파와 일치하는 우주 마이크로파 배경(CMB)의 특징을 발견했다고 발표했습니다. 패널리스트인 스탠포드 대학교의 차오린 쿠오(Chao-Lin Kuo)는 이번 결과가 수십 년 된 인플레이션 이론의 예측과 일치하며 빅뱅 이후 극소 순간에 우리 우주가 빛의 속도보다 빠르게 팽창했다는 최초의 직접적인 증거를 제공했다고 말했습니다.
Kuo는 획기적인 발전을 담당하는 망원경의 민감한 광자 탐지기를 설계했습니다. 남극의 춥고 건조한 대기 속에서 3년 동안 BICEP2(우주외은하편광배경영상촬영) 망원경은 138억년 된 빅뱅의 잔재인 CMB에서 광자를 수집했습니다. 포착된 광자의 강도와 편광을 설명하는 정보는 다양한 연구소에서 일하는 47명의 연구원으로 구성된 국제 협력체에 위성을 통해 전송되었습니다. 점차적으로 편광 패턴이 나타났습니다. 연구자들은 처음에는 이 데이터를 원시 중력파의 증거로 해석하는 것을 꺼려했습니다. 그들은 패턴이 중력파가 아니라 은하수의 먼지에 의해 생성되었을 가능성을 포함하여 신호에 대한 다른 설명을 배제하기 위해 노력했습니다.
그러나 시간이 지남에 따라 BICEP2 팀은 구부러진 "B 모드" 편광 패턴이 팽창 중 중력파에 의해 생성되었음을 확신하게 되었습니다. 기자회견과 동시에 BICEP2 팀은 실험 방법과 결과를 자세히 설명하는 동료 검토를 거치지 않은 사전 인쇄 논문을 발표하면서 "B 모드 우주론의 새로운 시대가 시작되었습니다"라고 적었습니다. 스탠포드 대학 공보실은 Kuo가 인플레이션 이론의 창시자 중 한 명인 스탠포드 물리학자 Andrei Linde에게 발견 소식을 전달하는 비디오 클립을 제작했습니다. 감정을 자극하는 동영상은 입소문을 타며 이 글을 쓰는 시점에 YouTube 조회수 280만 회를 기록했습니다.
비디오:Chao-Lin Kuo 조교수는 우주 인플레이션 이론을 뒷받침하는 증거로 Andrei Linde 교수를 놀라게 했습니다. BICEP2 실험에서 Kuo와 그의 동료들이 발견한 이 발견은 중력파 또는 시공간 잔물결의 최초 이미지를 나타냅니다. 이 파도는 '빅뱅의 첫 번째 진동'으로 묘사되었습니다.
스탠포드
그러나 발견의 행복감은 지속되지 않았습니다. 5월에 유럽 우주국의 플랑크 우주 관측소는 중력파를 발견했다는 BICEP2의 주장을 약화시키는 CMB 먼지 편광 지도를 출판했습니다. 우주론자들은 B 모드 신호가 망원경의 전경에 떠다니는 실리콘 먼지에 의해 생성되었을 수 있다는 근거로 BICEP2 주장을 비판하는 논문을 발표했습니다.
6월 중순에 Physical Review Letters는 BICEP2의 개정된 논문을 발표했습니다. 연구자들은 측정 자체의 정확성을 지지하면서도 이전에 중력파라고 생각했던 현상의 원인이 은하 먼지일 가능성이 있다고 지적했습니다.
Quanta Magazine은 수정된 논문이 출판되기 며칠 전에 시카고 대학에서 열린 우주론 컨퍼런스에서 Kuo를 만났습니다. 이것은 해당 대화를 요약하고 편집한 버전이며 이메일로 후속 조치를 취한 것입니다.
QUANTA 매거진:BICEP2에서 귀하의 역할은 무엇입니까?
CHAO-LIN KUO:저는 제트추진연구소에서 초전도 안테나 기술을 설계하고 망원경 제작을 감독했습니다. 이 기술을 사용하여 우리는 원시 중력파의 존재를 감지할 수 있는 장비를 만들었습니다. 이제 우리는 BICEP2 옆에 배치되는 추가 망원경인 Keck Array를 구축하여 BICEP2의 감도를 크게 향상시켰습니다. 우리는 BICEP3라는 차세대 망원경도 연구하고 있습니다. Keck Array와 BICEP3은 BICEP2가 중단한 중력파 검색을 시작합니다.
저는 측정을 수행하고 이론적인 칩을 원하는 위치에 두는 것이 직업인 실험자입니다.
입소문을 탄 YouTube 동영상에서 안드레이 린데에게 "r =0.2"라는 문구를 말했더니 그는 매우 기뻐했습니다. 그 방정식의 의미는 무엇입니까?
1990년대 중반 이론가들은 우주 마이크로파 배경의 편광 상태를 관찰함으로써 중력파를 직접 검색할 수 있다는 것을 깨달았습니다. BICEP2 망원경을 사용하여 남극 하늘의 작은 영역에서 편광을 파악하는 데 3년이 걸렸습니다. 너무 기술적이지는 않지만 CMB의 양극화는 E-모드와 B-모드라는 두 가지 다른 유형의 패턴을 찾는 것으로 귀결됩니다.
우리는 우리가 관찰한 마이크로파 배경의 편광 중 20%가 중력파나 은하 먼지 및 기타 원인에 의해 발생할 수 있는 B 모드라는 것을 발견했습니다. 다른 CMB 실험에서 사용 가능한 먼지 지도를 사용하여 우리는 은하 먼지나 다른 원인이 우리가 관찰한 B 모드 신호의 대부분을 발생시켰을 가능성을 무시하고 중력파를 가장 간단한 설명으로 남겨 두었습니다.
"r =0.2" 방정식은 전체 편파의 20%가 중력파에 의해 발생함을 의미합니다. 중요한 것은 인플레이션의 에너지 규모를 평가할 수 있다는 의미입니다. r =0.2라면 우주가 탄생하면서 중력과 양자역학이 결합되었을 만큼 에너지 규모가 충분히 높았다는 뜻이다. 이는 Linde와 Alan Guth와 같은 다른 우주론자들이 제안한 대규모 팽창 모델을 검증합니다.
처음 시작할 때 인플레이션 이론을 검증할 것으로 기대하셨나요?
실험가로서 나는 테스트 가능한 아이디어를 찾고 인플레이션은 테스트 가능한 예측을 만들었습니다. 저는 개인적으로 인플레이션 이론의 설명력을 좋아합니다. 하지만 저는 측정을 수행하고 이론적인 칩이 있을 수 있는 곳에 있도록 하는 것이 임무인 실험자입니다.
우주의 역사 BICEP2는 빅뱅 초기 순간의 B 모드 신호에서 중력파를 발견했다고 주장합니다.
바이셉2
BICEP2가 중력파의 발견을 발표한 후 Raphael Flauger, David Spergel, Michael J. Mortonson 및 Uroš Seljak을 포함한 많은 우주론자들은 당신과 당신의 동료들이 중력파의 증거로 해석한 B 모드가 은하 먼지 구름에 의해 발생할 수 있다는 논문을 썼습니다. 맞나요?
대안적인 설명을 제안하는 것은 과학에서 매우 일반적인 과정입니다. BICEP2는 150GHz 주파수에서 매우 상당한 수준의 B 모드 편파를 확인했습니다. 우리는 그 신호를 없애려고 1년 동안 노력했지만 실패했습니다. 여전히 신호가 남아 있습니다. 이제 우리는 그것이 도구로 만들어진 인공물에서 나온 것이 아니라 하늘에서 나온 것임을 확신합니다. 10년 넘게 천문학자들은 우리 은하의 전경인 은하수에서 약 5%의 낮거나 중간 정도의 편광으로 편광된 먼지를 모델링해 왔는데, 이는 우리의 신호를 설명하기에 충분하지 않습니다. 그리고 B 모드 신호가 100 GHz 주파수에서 BICEP1 망원경에 의해 10년 전에 수집된 데이터의 중력파라는 몇 가지 뒷받침하는 증거가 있습니다. 중력파는 여전히 가능성이 매우 높은 설명이며 가장 경제적인 설명입니다.
그러나 5월 초, 우리가 사전 인쇄를 발표한 후 플랑크 공동 연구에서는 350GHz 편광 측정에서 얻은 먼지 편광 데이터를 발표했습니다. 해당 데이터는 하늘 전체의 먼지 양극화가 우리가 예상했던 것보다 더 심각하다는 것을 보여줍니다.
새로운 플랑크 데이터 공개가 지난 3월 발표한 중력파 발견에 어떤 의미가 있었나요?
플랑크 지도는 우리 망원경이 관찰하는 남극 지역을 포함하지 않았습니다. 플랑크는 곧 더 많은 데이터를 공개할 예정입니다. 운이 좋지 않다면 플랑크가 관찰한 편광 먼지가 모든 B 모드 신호를 설명할 수 있습니다. 그럼 기다리겠습니다.
Physical Review Letters에 게재된 개정된 BICEP2 논문에서 귀하의 팀은 원래 연구 결과에 대해 덜 확실하다고 표현했습니다. 왜요?
사전 인쇄를 출시하기 전에 플랑크에서 가지고 있던 것은 1년여 전에 만들어진 프레젠테이션의 슬라이드에서 가져온 지도뿐이었습니다. 우리는 슬라이드를 보면서 이미지가 무엇을 의미하는지 가정한 다음, 그 가정을 바탕으로 먼지 양극화를 최대한 추정했습니다. 우리의 가정은 기본적으로 은하 먼지 편광에 대한 이전 모델과 일치했습니다. 슬라이드가 우리가 접근할 수 있는 유일한 플랑크 먼지 지도였기 때문에 우리의 가정을 완전히 확인할 수는 없었습니다. 개정된 논문에서는 불확실성으로 인해 플랑크 이미지를 기반으로 한 먼지 모델을 삭제했습니다.
플랑크의 원시 데이터에 접근할 수 없었나요?
먼지 편광 범위에 대해 가정할 때 플랑크의 원시 데이터가 없었습니다. 그리고 플랑크가 데이터를 발표했을 때 남극의 관측 지역을 지도에서 제외했습니다. 플랑크가 우리 하늘 영역에 대해 더 많은 먼지 편광 데이터를 공개하면 B 모드가 중력파인지 먼지인지에 대한 더 나은 아이디어를 갖게 될 것입니다.
새로운 플랑크 데이터와 그에 따른 비판에 비추어 중력파 발견을 발표한 것에 대해 어떻게 생각하시나요?
우리는 먼지에 대한 불확실성이 있다는 것을 항상 인정해 왔습니다. 그리고 이제는 불확실성이 더 커진 것 같습니다.
결과에 감정적인 투자를 해야 합니다.
개인적으로 나는 진실에만 관심이 있습니다. 나는 항상 좋아 보이는 것에 대해 걱정하지 않습니다. 나는 데이터에서 볼 수 있는 편광 신호 중 얼마나 많은 부분이 먼지로 인해 발생했는지, 얼마나 많은 부분이 원시 중력파로 인해 발생했는지에만 관심이 있습니다. 실험가로서 우리는 가능한 최고의 측정을 원합니다. 기자들이 “아, 당신이 뭔가 잘못했어요!”라고 말할 때. 그것은 나에게 해롭다. 사실 우리는 이제 새로운 정보를 바탕으로 해석을 조정했습니다. 중요한 것은 데이터 포인트가 1비트도 이동하지 않았다는 것입니다. 진화한 것은 해석일 뿐입니다.
과잉 B 모드 신호가 중력파에 의해 발생했다는 원래 해석에 BICEP2 팀의 모든 구성원이 동의했나요?
사전 인쇄를 발표할 당시 우리가 갖고 있던 정보로는 데이터와 관련하여 의견이 일치할 부분이 전혀 없었습니다. 곧 Planck, Keck Array 및 BICEP3에서 더 많은 데이터를 얻을 수 있을 것입니다. BICEP2 신호가 전경 먼지인지 원시 중력파인지 여부에 관계없이 우리는 연구를 계속 진행할 것입니다.
중력파를 찾기 위해 경쟁하는 연구 그룹은 발견을 발표하기 전에 원시 데이터를 공유해야 합니까?
우리는 다른 그룹과 협력하여 데이터를 공동으로 분석할 계획입니다. 데이터 공개는 사소한 일이 아닙니다. 다양한 그룹은 CMB 데이터를 다르게 처리하며 장비 속성도 다르므로 이해해야 합니다. 2020년에는 다양한 연구 그룹 간에 더 많은 데이터 공유를 요구하는 CMB-S4라는 공동 작업이 진행 중입니다.
이 모든 것에서 배울 수 있는 교훈이 있나요?
해석 과정이 외부인에게는 다소 지저분해 보일 수도 있지만, 우리는 과학 분야에서 급속한 발전을 이루고 있습니다. 다시 한번 말씀드리지만 저는 오직 답을 찾는 것에만 관심이 있습니다.
이 기사는 ScientificAmerican.com에 재인쇄되었습니다. .
