Big Bang-bølger oppdaget, og universet har fått en ny æra

Virvler på himmelen. Fotavtrykk fra inflasjon og gravitasjonsbølger.

Virvler på himmelen. Fotavtrykk fra inflasjon og gravitasjonsbølger. Se gårsdagens post for forklaring av virvlene.

Katta er ute av sekken. BICEP-eksperimentet har høyst sannsynlig oppdaget sporene etter gravitasjonsbølger fra Big Bang.

Resultatene var utvilsomt imponerende. Men de stemmer ikke perfekt med standardbildet vårt av universet, så nå blir det baluba kosmologiland framover. For meg, som ekstremt farget kosmolog, er dette større enn Higgs.

I går skrev jeg en relativt utfyllende blogpost om ryktene om oppdagelsen som skulle presenteres, og hva den eventuelt ville innebære. Jeg skal ikke gjenta alt her, men kort oppsummert var gårsdagens status for vår forståelse av Big Bang omtrent slik:

  • De fleste kosmologer har lenge trodd at universet hadde med en inflasjonsfase. Inflasjon er en periode med en ekstremt voldsom utvidelse, ekstremt kort etter Big Bang, der universet i løpet av ufattelig kort tid (mindre enn 1/1..[32 nuller til sammen]…000-del av et sekund) utvidet seg og ble 1000…[26 nuller til sammen]…000 ganger større. For å sette det i perspektiv ville et hydrogenatom med en slik utvidelse blitt 500 ganger så stort som solsystemet.
  • Energiene involvert i inflasjon er mer enn 10 000 milliarder høyere enn det vi har utforsket i partikkelakseleratorer som LHC på CERN. Det dreier seg altså om fysiske betingelser som vi aldri har vært i nærheten av å utforske i kontrollerte omgivelser.
  • Inflasjonsfasen er innført i universmodellene våre, litt ad-hoc, for å å forklare en rekke egenskaper ved universet vårt som ellers ville være vanskelige å forstå. (igjen, se gårsdagens innlegg.)
  • Vi har altså blitt litt avhengige av inflasjon, men så langt har ikke observasjoner gitt oss annet enn bekreftelser på at inflasjon kan være riktig.
  • Inflasjonsmodeller forutsier at det skal dannes gravitasjonsbølger i det tidlige universet.
  • Gravitasjonsbølgene vil i sin tur lage et veldig svakt, men særpreget virvelmønster i polarisasjonsretningene til den kosmiske bakgrunnsstrålingen.
  • Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er mikrobølgestråling som stammer fra da universet var 380 000 år gammelt, og som treffer oss fra alle kanter hele tiden.

Og: nå har altså BICEP oppdaget dette virvelmønsteret, det lenge forutsette, men inntil nå uoppdagede fotavtrykket fra inflasjon. 

Jeg spekulerte i går om hvor statistisk signifikant oppdagelsen ville være. Den viste seg å være svært signifikant, over 5 standardavvik. Det vil si at oppdagelsen er oppgitt til å være omtrent like sikker som Higgs-oppdagelsen som partikkelfysikere til å danse ukontrollert fugledans for snart to år siden. Dette var bedre en i hvertfall jeg hadde trodd!

Ryktene hadde fortalt at et magisk tall, kalt r, skulle være funnet å være ca. 0,2. Dette ryktet stemte. At r er større enn 0 betyr at de har en solid oppdagelse. For fire dager siden, før ryktene begynte å spre seg, ville veldig få gjettet at r ville være så stor som 0,2. Vi snakker altså om en overraskelse. En overraskelse som har fått en del kosmologer til å klø seg i hodet, skjegget og så videre i dag. Av to grunner:

  1. Observasjonelle grunner: Dette tallet, r=0,2, er så stort at Planck-satellitten, som har publisert resultater av temperaturujevnheter (altså ikke polarisasjon, så langt) i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, også burde ha sett noe. De publiserte imidlertid resultater der de sa at var mindre enn 0,11. Dette henger ikke sammen. r=0,2 er riktignok mulig å tilpasse Planck-data dersom man innfører en ekstra ny parameter i universmodellen. Altså, man må dytte inn en ny knott man kan skru på for å få alt til å henge sammen. Hva slags knott man skal innføre er ikke gitt, men det mest naturlige er å innføre et tall man kaller α, som sier noe om egenskapene til inflasjonen. Alt er altså egentlig OK, men vi må trolig gjøre universmodellene litt mer kompliserte, og det er noe vi ikke liker.
  2. Teoretiske grunner: Den høye verdien til r betyr at inflasjon må ha skjedd ved ekstremt høye energier. Så ekstremt høye at det er vanskelig å få, i hvertfall de vanligste, enkleste inflasjonsmodellene, til å henge sammen. Og, dersom man skal innføre en α for å få alt til å henge sammen, havner modellene våre for inflasjon i alvorlig trøbbel. Løsningen blir kanskje å innføre en annen knott enn α å skru på. Hvilke knotter vi kan innføre vil vise seg i tiden som kommer. Men den ekstremt høye verdien av r gir utvilsomt litt hodebry for inflasjonsteoretikere.

Vi har altså hatt et universpuslespill der vi har satt av en plass til en inflasjonsbrikke som skal få ting til å henge sammen. Så finner vi inflasjonsbrikken, men den viser seg å være i overkant stor, slik at vi må omrokkere på resten av puslespillet og kanskje til og med lage oss enda en brikke for å få alt til å henge sammen.

lplotDet er også noen pussige uregelmessigheter i dataene som ble presentert. På pressekonferansene i dag ble det lagt vekt på at dataene passet perfekt til en modell med r=0,2. Ved nærmere ettersyn er det ikke så enkelt. Se på figuren til høyre, som er fra den vitenskapelige artikkelen som ble tilgjengeliggjort i dag. De svarte punktene med streker på er dataene fra BICEP. Her viser tallene langs x-aksen hvor store virvler på himmelen man har studert (se innlegg fra i går). Små virvler er til høyre, store virvler til venstre. Y-aksen angir hvor sterke virvlene av forskjellig størrelse er. De svarte punktene viser målte data, mens de vertikale strekene gir usikkerheten til målingene. De røde kurvene er teoretiske forutsigelser for et univers med r=0,2.  Hadde r vært mindre, ville linja ligget lavere. Punktene skal helst følge den øverste, stiplede røde linja. Vi ser at data og teori stemmer flott overens en stund, men for verdier på x-aksen rundt 200 ligger målingene systematisk høyere enn det teorien forutsier. Her kan det være noe muffins. Kanskje har de ikke klart å analysere dataene sine helt riktig? Eller kanskje de teoretiske modellene er ute å kjøre? Uansett, et eksempel på at alt ikke er harmoni i gravitasjonsbølgeland.

Hva vil skje framover?

For det første er det mange andre eksperimenter som ser etter tilsvarende signaler. Vil de finne det samme? BICEP har også utvidet og forbedret eksperimentet sitt og vil komme med nye data senere. Vil de bekrefte funnene her? Resultatene ser så overbevisende ut at vi kan være ganske sikre på at vi har sett spor av gravitasjonsbølger, og det er svært trolig at disse stammer fra inflasjon. Det er heftig! Men det kan godt hende at for eksempel vil endre seg til mer spiselige verdier i tiden som kommer. Dersom r ikke minker, må vi finne på noe lurt for å få hele det kosmologiske puslespillet til fortsatt å henge sammen. Kanskje dette vil påvirke hvordan vi ser på mørk energi? Eller massen til nøytrinopartikler? Eller noe helt annet? Her må det analyseres framover!

Det positive med at r er så uventet høy, er at signalet fra inflasjonen er mye sterkere enn man hadde regnet med. Det betyr igjen at det kan bli lettere å skaffe enda mer data om inflasjonen enn man hadde fryktet, og at man etterhvert kan gjøre så nøyaktige målinger at man kan forstå inflasjonsfasen temmelig grundig. Og da snakker vi altså fysikk på over 10 000 millioner ganger LHC/CERN-energier. Nå vil vi garantert også dukke opp nye, ambisiøse eksperimenter som skal undersøke inflasjonen nærmere i årene som kommer. Dette blir spennende!

——-

Oppdatering 18. mars: For de Her gjengir vi en kommentar fra Hans Kristian Eriksen, professor ved UiO, og antagelig norges største ekspert på den typen analyse som er utført av BICEP-gruppen. Han kritiserer en del punkter i dataanalysen. Noe av dette er temmelig teknisk, men det gir likevel et innblikk i omtrent hvordan en del av debatten kan forløpe framover. Figurene det refereres finner du i denne artikkelen. (Se også blogginnlegg av Phil Bull, som er postdoktor ved UiO).

First of all, congratulations to the BICEP2 team with yesterday’s results! It sure looks like there is *something* there, and now I bet the whole field will be racing to understand what in the coming months and years 

Going through the paper, though, I have to admit that my enthusiasm has cooled a bit compared to what was shown in the press conference — although I guess that’s only to be expected. My main concern is in fact the null-tests, described in Section 7.3:

1) In Table 1 there are a total of 168 null-tests. Among these there are *3* PTEs of 0.000. The probability for that to happen, based on binomial statistics, is 0.07%. So the caption in Figure 4, «These distributions are consistent with uniform», is bold, to put it mildly. (Thanks to Ingunn Wehus for pointing this out!)

2) In the lower left panel of Figure 2, the team shows the BB spectrum. The only signal spectrum points that fits are 50 < l < 150; higher points don’t really fit very well. In fact, a straight line (a typical characteristic of additive systematics) would fit even better, I think, based on chi-by-eye.

3) In the same panel, the BB jackknife is also shown. And surprisingly, the error bars of *all* nine points touch the zero line. The chi-square is low with a PTE of 0.99, as reported in the legend. That hints toward the noise being *overestimated* by some factor.

4) However, if the noise is overestimated, then the jackknives in Table 1 are going to be even worse, possibly pulling a couple of low values also down into the 0.000 regime; there are a total of five values there below or equal to 0.020. If two more of them go to 0.000, we’re talking about a null-test failure of 10e-6 — or a ~5 sigma event. If four of them are going to 0.000, the probability is 5e-10.

The one thing that holds this claim together, in my opinion, is not the BICEP2 results, but rather the KECK x BICEP2 cross-correlation. Without that, things would be very shaky indeed, I think. So releasing the full KECK data set with proper (and passing!) null-test statistics is clearly a critical step towards validating these results. Even more important is of course to get an independent measurement by one or more other experiments, preferrably from a completely different patch of the sky.

So, clearly exciting — but a more careful analysis is required before I’m fully convinced… 

—————————–

16 comments

  1. Carbomontanus · mars 17, 2014

    Ja ikke sant?

    Det er så deilig hver gang korthuset raser. Så må man samle opp og se hvilke kort som står og bruke dem om igjen og bygge nytt.

    Men jeg driver og kraft- oppfinner reguleringshikkemikken på en dieselmotor og må også smi om propellen til høyere pitch, så gi meg litt tid så skal jeg se om jeg ikke kan forstyrre dere.

  2. Elric · mars 18, 2014

    Selvsagt er det interessant, men også deprimerende med all den nye kunnskapen innen kosmologi. En begynnelse forutsetter vanligvis også en slutt, mørk energi og the big rip osv ligger kanskje langt i fremtiden, men særlig oppmuntrende er det ikke.

    Og om inflasjonsfasen; i og med at universet trolig ikke har noen utside, kan en forestille seg det som et bittelite punkt som i løpet av et uhyre kort øyeblikk gjennomgår en betydelig endring i form av inflasjon. Ved slik visualisering gir inflasjon assosiasjoner til en faseendring, der romlig utstrekning kun er endrede egenskaper ved universet.

    • Carbomontanus · mars 18, 2014

      Såvidt jeg kan se forutsetter allerede det generelle fenomen polariserte bølger at man har randbetingelser i form av dimensjonale fasegrenser av noe slag mellom media av ulik bølgemekanisk konduktivitet. (Iflg V.Bjerknes)

      Nettop ulike faser og grenser mellom samme.

      Det er altså ikke bare bølgene som må være romlige og ha en romligt form. Det må være noe annet også nemlig disse polariserte bølgenes randbetingelser. Det er som med radar det. Det må være «noe» der forat man skal få ekko og bøyning og polarisering.

      Den store flausa man kanskje sliter med den dag idag er det politiske vedtaket om at alt er oppstått av formløst chaos og ved tilfeldigheter. Men derom strides de lærde, de gudelige og de ugudelige.

      Men man skal være kresen i ens personlige valg av guder. Første bilde som kom av bakgrunnsstrålingen ble kalt for «Guds ansikt». Men jeg likte det slett ikke, for det så mest ut som Pink Panter. Der har vi det atter og atter og atter. Lærlingene driver og skaper seg gud i sitt billede.

  3. Carbomontanus · mars 18, 2014

    Jeg har tenkt litt på det.

    Første spørsmål tror jeg nå bør være hvorfor bølger blir polariserte.

    De må da for det første være transversale og ikke longitudinale. Dessuten forutsetter det materielle randbetingelser, slik som definert av Vilhelm Bjerknes nemlig som «dimensjonale grenser, punkt linje flate,….mellom media av ulik bølgemekanisk konduktivitet» Det der er en generell og meget effektiv fruktbar måte å tenke på.

    Så later det til at iflg. teorien har lyshastigheten vært ganske ekstrem, og ikke fungert som en naturkonstant, men heller som en parameteravhengig kompleks funksjon slik man på mer opplyst vis også drøfter lydhastigheten, nemlig som C = 1/2pi (Cp/Cv * P /M * nRT ) ^.5 ) , og tar den ikke for å være en gitt og konstant bokstav som man bare kan slå opp i tabell og regne med, da den i virkeligheten jo ikke har noen konstant verdi i rommet. Det har den først i friluft og når amplityden faller mot null, som en grenseverdi.

    Dette gjelder lyd som sådan og er helt åpenbart ved sterke lydkilder og dynamitt, men gjelder videre også inni og nær opptil fløyter horn og trompeter og oboer.

    Og kraftige høyttalere.

    Der må man ikke multiplisere lambda med ny og regne med det i rommet. «C» gjelder kun for den absolutte stillhet.Man må logge og trace opp og kartlegge og behandle lambda og ny hver for seg i feltet.

    Mitt begrep er at da er det også slik for lys. For stråling ute i rommet fra Loddebolter, bål, stearinlys glødelamper … kan vi skrive «C» og regner med det. Men ikke nær ved og inni atombomber og gammaglimt og big bang. Og ikke inni de materielle lyskildene eller radioapparatene, ikke engang nær opptil i mange tilfelle.

    Dette er uvante tanker for mange, derfor står de også bommende fast og fomper i musikkakustikken for de kan ikke drøfte en oscillator, de har grepet feil i fysikken, i litteratur der man multipliserer lambda med ny og kaller de uhorvelige og uhyrlige følgene av det feil- grepet for «psi», og regner med det. Men da regner man galt.

    Og vi synes ved denne såkalte inflasjonen at vi står ved et fenomen med hensyn på lys, som er akkurat som en knallperle i forhold til lyd. Den detonerer ved 9000 meter/ sek, og så utover i rommet så konvergerer det nedover til ca 340 m/ sek for alle frekvenser som en grenseverdi nærmere den absolutte stillhet..

    Det spøker altså såvidt jeg kan se for E = m C^2 med hensyn på at det skal gjelde i rommet og universalt.

    Det vil kunne vise seg å være både tid og felt og amplityde og frekvensavhengig. Man tåler kanskje ikke å fatte det for da går gymnas i fysikk i dass, med alt det pugget og kanskje examensfusk dertil for å komme videre i livet.

    Men jeg har i sin tid hatt det helt overlegne grep på lyd fordi jeg hadde tukklet med radio og seilt med arendalssnekke og styrt sirlig bortigjennom og mellom og tversigjennom bølgene og brekkerne. De er så virkelige som de kan få blitt, men multipliser aldri lambda med ny og regn med det i rommet eller feltet, når det er sånn.

  4. P.T. · mars 18, 2014

    Det er ikke tvil om at dette vil ha mye å si for astronomien, selv om vi kun snakker om en bekreftelse av allerede eksisterende teorier og antagelser, ikke en ny oppdagelse eller en ny teori, skjønt en vet aldri hva en videre analysering av de nye dataene kan avsløre. Men vil det ha noe å si for den kollektive bevissthet, vil det forandre folks oppfattelse av kosmos? Det var mye jubel i forskermiljøene da Higgs ble påvist, likevel er det mange utenfor de akademiske sirkler som fremdeles ikke har fått det med seg, eller som skjønner hva de innebærer. Vil det samme skje i dette tilfellet? Det er en stund siden et samfunnsmessig paradigmeskifte av typen som fulgte Artenes opprinnelse inntraff.

  5. Jostein Riiser Kristiansen · mars 18, 2014

    Godt spørsmål. Og et spørsmål det kanskje er enklere å svare på for noen som står utenfor fagfeltet? Som du sier endrer oppdagelsen veldig lite av vår forståelse, det bare bekrefter at vi antagelig har tenkt temmelig riktig så langt. Slik sett er parallellen til Higgs interessant. Man hadde jo også forventet at den skulle være der. Imidlertid håper jeg at inflasjon og Big Bang kan være litt enklere å fatte betydningen av for lekfolk, enn det å finne Higgs.

    Noe av det jeg personlig synes har vært mest interessant med både Higgs og BICEP, er at de viser hvordan vi har klart å forutsi fysiske fenomener langt utover hva vi har hatt et direkte eksprimentelt grunnlag for å mene noe om. Det vitner om at vår teoretiske forståelse av naturen er inne på et imponerende godt og fruktbart spor. Det er i seg selv både imponerende og fascinerende.

    Men klart, inflasjon står mye lenger unna vårt daglige liv enn evolusjon, så den samme relevansen for folks tenkemåte vil neppe denne oppdagelsen ha. Er vi heldige vil den være med å bane vei for at naturfag vil styrkes som kultur og bli en større del av allmenndannelsen (altså, verdien av fysikk og naturfag utover den rent økonomiske nytten).

    Men hvis at astronomien virkelig skal gripe inn i menneskets syn på seg selv og sin plass i verden ligger det kanskje et større potensial i jakten på jorlignende eksoplaneter og liv i universet?

    • P.T. · mars 18, 2014

      Det stemmer nok at graden av innflytelse har sammenheng med hvor stor relevans oppdagelsen eller teorien har for den generelle virkelighetsforståelse, hvor mye den griper inn i liv og samfunn og hvor mye den avviker fra de eksisterende paradigmer. Big Bang ligger kanskje litt for langt tilbake i tid til at det er noe som opptar tankene til folk flest til daglig. For astronomiens del er det trolig fenomener her og nå og som i størst grad taler til folks håp og lengsler som vil ha størst innflytelse.

      Det er som regel grenser for hvor mye elever kan sette seg inn i på grunnskolenivå, men selve konklusjonene innen astronomifaget og det som ellers står på høyre side av likhetstegnet skulle være relativt lett å tilegne seg.

      Er for så vidt enig i at bekreftelsene av forutsigelsene så langt virker lovende for den videre utvikling innen fysikk og astronomi. Det ble en gang sammenlignet med det å fylle ut blanke felt på et kart ut i fra den informasjonen som allerede foreligger for så å oppdage i ettertid at kartet faktisk stemmer temmelig godt overens med terrenget.

      • KEE · mars 26, 2014

        Et litt kartteknisk svar på det siste poenget ditt er jo også at det alltid er lettere og mer nøyaktig å interpolere enn å ekstrapolere.

  6. Tilbaketråkk: Rykter: Vil BICEP avsløre Big Bang-bølger? | Kollokvium
  7. Tilbaketråkk: Populär Astronomi - » Kan vi tro på BICEP2-forskarnas nya bild av big bang?
  8. Tilbaketråkk: Skepchick.no | Kjappiser: Tuberkulose, akupunktur, kosmologi og kompliserte greier
  9. Tilbaketråkk: #72 – Simon Singh, inflasjonsnytt og anbefalings-ekstravagansa | Saltklypa
  10. KEE · mars 26, 2014

    Huskere dere hvor lenge det var mellom bursdagene når dere var barn? Hvilke evighet det var mellom deg som femåring og deg som seksåring? Den gale astronomen skrev for en liten stund siden om hvor lenge inflasjonen varte sett i forhold til universets alder da. http://www.slate.com/blogs/bad_astronomy/2014/03/17/timescales_inflation_lasted_a_long_long_time.html

  11. ida · april 16, 2014

    Lysfarten! Den e jo treeeege! Den kan eg se!

  12. Tilbaketråkk: BICEP2 og Big-Bang-bølgene – 80 dager etter | Kollokvium
  13. Tilbaketråkk: Big-Bang bølgene fra BICEP2 gruses av støv | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s