Fale niepewności

W styczniu tego roku doniesiono, że obserwatorium LIGO zarejestrowało prawdopodobnie drugie zdarzenie polegające na połączeniu dwóch gwiazd neutronowych. Ta informacja świetnie wygląda w mediach, jednak wielu naukowców zaczyna mieć poważne wątpliwości co do wiarygodności odkryć rodzącej się „astronomii fal grawitacyjnych”.

W kwietniu 2019 roku detektor LIGO w Livingston w Luizjanie wykrył kombinację obiektów znajdujących się około 520 milionów lat świetlnych od Ziemi. Obserwacja ta, dokonana za pomocą tylko jednego detektora w Hanford, została chwilowo wyłączona, a Virgo nie zarejestrowała zjawiska, ale mimo to uznała go za wystarczający sygnał zjawiska.

Analiza sygnału GW190425 wskazał na zderzenie układu podwójnego o masie całkowitej 3,3 - 3,7 masy Słońca (1). Jest to wyraźnie większe niż masy powszechnie obserwowane w podwójnych układach gwiazd neutronowych w Drodze Mlecznej, które wynoszą od 2,5 do 2,9 mas Słońca. Sugerowano, że odkrycie może reprezentować populację podwójnych gwiazd neutronowych, której wcześniej nie obserwowano. Nie każdemu podoba się to mnożenie bytów ponad konieczność.

1. Wizualizacja zderzenia gwiazdy neutronowej GW190425.

Faktem jest, że GW190425 została zarejestrowana przez pojedynczy detektor oznacza, że ​​naukowcom nie udało się określić dokładnej lokalizacji, a w zakresie elektromagnetycznym nie ma śladu obserwacyjnego, jak w przypadku GW170817, pierwszego połączenia dwóch gwiazd neutronowych zaobserwowanego przez LIGO (co również jest wątpliwe , ale o tym poniżej). Możliwe, że nie były to dwie gwiazdy neutronowe. Być może jeden z obiektów Czarna dziura. Może oba były. Ale wtedy byłyby mniejszymi czarnymi dziurami niż jakakolwiek znana czarna dziura i konieczne byłoby przebudowanie modeli powstawania podwójnych czarnych dziur.

Istnieje zbyt wiele modeli i teorii, do których można się dostosować. A może „astronomia fal grawitacyjnych” zacznie dostosowywać się do rygoru naukowego dawnych dziedzin obserwacji kosmosu?

Za dużo fałszywych alarmów

Alexander Unzicker (2), niemiecki fizyk teoretyczny i szanowany pisarz popularnonaukowy, napisał w lutym na portalu Medium, że pomimo ogromnych oczekiwań detektory fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO (3) nie wykazały w ciągu roku niczego ciekawego poza przypadkowymi fałszywymi alarmami. Zdaniem naukowca budzi to poważne wątpliwości co do zastosowanej metody.

Wraz z przyznaniem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2017 r. Rainerowi Weissowi, Barry’emu K. Barishowi i Kipowi S. Thorne’owi kwestia wykrycia fal grawitacyjnych wydawała się rozstrzygnięta raz na zawsze. Decyzja Komitetu Noblowskiego dotyczy wyjątkowo silna detekcja sygnału GW150914 zaprezentowany na konferencji prasowej w lutym 2016 r. oraz wspomniany już sygnał GW170817, który przypisano połączeniu dwóch gwiazd neutronowych, gdyż dwa inne teleskopy zarejestrowały zbieżny sygnał.

Od tego czasu weszły one do oficjalnego schematu naukowego fizyki. Odkrycia wywołały entuzjastyczne reakcje i oczekiwano nowej ery w astronomii. Fale grawitacyjne miały być „nowym oknem” na Wszechświat, uzupełniającym arsenał znanych wcześniej teleskopów i prowadzącym do zupełnie nowych typów obserwacji. Wielu porównało to odkrycie do teleskopu Galileusza z 1609 roku. Jeszcze bardziej entuzjastyczny był wzrost czułości detektorów fal grawitacyjnych. Nadzieje na dziesiątki ekscytujących odkryć i odkryć podczas cyklu obserwacji O3, który rozpoczął się w kwietniu 2019 r., były duże. Jednak jak dotąd, zauważa Unziker, nie mamy nic.

Mówiąc ściślej, żaden z sygnałów fal grawitacyjnych zarejestrowanych w ciągu ostatnich kilku miesięcy nie został niezależnie zweryfikowany. Zamiast tego pojawiła się niewytłumaczalnie duża liczba fałszywych alarmów i sygnałów, które następnie zostały obniżone. Piętnaście zdarzeń nie przeszło testu walidacyjnego z innymi teleskopami. Dodatkowo z testu usunięto 19 sygnałów.

Niektóre z nich początkowo uznano za bardzo istotne – np. GW191117j oszacowano jako zdarzenie z prawdopodobieństwem jednego na 28 miliardów lat, dla GW190822c – jedno na 5 miliardów lat, a dla GW200108v – 1 na 100 XNUMX. lata. Biorąc pod uwagę, że rozpatrywany okres obserwacji nie obejmował nawet całego roku, takich fałszywie pozytywnych wyników jest bardzo dużo. Unziker komentuje, że coś może być nie tak z samą metodą sygnalizacji.

Kryteria klasyfikacji sygnałów jako „błędów” są jego zdaniem nieprzejrzyste. To nie tylko jego opinia. Znana fizyk teoretyczna Sabine Hossenfelder, która już wcześniej wskazywała na niedociągnięcia w metodach analizy danych z detektora LIGO, skomentowała na swoim blogu: „Proszę państwa, boli mnie głowa. Jeśli nie wiesz, dlaczego Twój detektor wykryje coś, czego się nie spodziewasz, jak możesz mu zaufać, skoro widzi to, czego się spodziewasz?

Interpretacja błędów sugeruje, że nie ma żadnej systematycznej procedury oddzielania rzeczywistych sygnałów od innych, poza unikaniem rażących sprzeczności z innymi obserwacjami. Niestety, aż 53 przypadki „odkrycia kandydującego” łączy jedno – nikt poza reporterem tego nie zauważył.

Media mają tendencję do przedwczesnego celebrowania odkryć LIGO/VIRGO. Gdy kolejne analizy i poszukiwania potwierdzenia zawiodą, jak to miało miejsce od kilku miesięcy, w mediach nie ma już entuzjazmu ani sprostowań. Na tym mniej efektywnym etapie media nie wykazują żadnego zainteresowania.

Tylko jedno wykrycie jest pewne

Zdaniem Unzikera, jeśli śledzimy rozwój sytuacji od czasu głośnej zapowiedzi otwarcia w 2016 roku, obecne wątpliwości nie powinny dziwić. Pierwszą niezależną ocenę danych przeprowadził zespół z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze pod kierownictwem Andrew D. Jacksona. Analiza danych ujawniła dziwne korelacje w pozostałych sygnałach, których pochodzenie jest nadal niejasne, pomimo twierdzeń zespołu, że uwzględnione wszystkie anomalie. Sygnały powstają w wyniku porównania surowych danych (po rozległym wstępnym przetworzeniu i filtrowaniu) z tzw. szablonami, czyli teoretycznie oczekiwanymi sygnałami z numerycznych symulacji fal grawitacyjnych.

Jednak przy analizie danych takie postępowanie jest właściwe tylko wtedy, gdy zostanie ustalone samo istnienie sygnału i dokładnie znany jest jego kształt. W przeciwnym razie analiza wzorców jest narzędziem wprowadzającym w błąd. Jackson uczynił to bardzo skutecznym podczas prezentacji, porównując tę ​​procedurę do automatycznego rozpoznawania obrazu tablic rejestracyjnych samochodów. Tak, nie ma problemów z dokładnym odczytaniem na rozmazanym obrazie, ale tylko wtedy, gdy wszystkie samochody przejeżdżające w pobliżu mają tablice rejestracyjne dokładnie odpowiedniego rozmiaru i stylu. Gdyby jednak algorytm zastosować do obrazów „w naturze”, rozpoznałby tablicę rejestracyjną dowolnego jasnego obiektu z czarnymi plamami. To właśnie według Unzikera może przytrafić się falom grawitacyjnym.

3. Sieć detektorów fal grawitacyjnych na świecie

Pojawiły się inne wątpliwości dotyczące metodologii wykrywania sygnału. W odpowiedzi na krytykę grupa kopenhaska opracowała metodę wykorzystującą cechy czysto statystyczne do wykrywania sygnałów bez stosowania wzorców. Po zastosowaniu w wynikach nadal wyraźnie widać pierwszy incydent z września 2015 roku, ale… na razie tylko ten. Tak silną falę grawitacyjną można nazwać „powodzeniem” wkrótce po wystrzeleniu pierwszego detektora, jednak po pięciu latach brak dalszych potwierdzonych odkryć zaczyna budzić niepokój. Jeśli w ciągu najbliższych dziesięciu lat nie będzie statystycznie istotnego sygnału, czy będzie pierwsza obserwacja GW150915 nadal uważany za prawdziwy?

Niektórzy powiedzą, że było to później wykrycie GW170817, czyli sygnał termojądrowy podwójnej gwiazdy neutronowej, zgodny z obserwacjami instrumentalnymi w obszarze promieniowania gamma i teleskopami optycznymi. Niestety istnieje wiele niespójności: wykrycie LIGO odkryto dopiero kilka godzin po zarejestrowaniu sygnału przez inne teleskopy.

Laboratorium VIRGO, wystrzelone zaledwie trzy dni wcześniej, nie dało żadnego rozpoznawalnego sygnału. Ponadto tego samego dnia doszło do awarii sieci w LIGO/VIRGO i ESA. Wątpliwości budziła zgodność sygnału z połączeniem gwiazd neutronowych, bardzo słabym sygnałem optycznym itp. Z drugiej strony wielu naukowców zajmujących się badaniem fal grawitacyjnych twierdzi, że informacja o kierunku uzyskana przez LIGO była znacznie dokładniejsza niż informacja o kierunku dwa pozostałe teleskopy i twierdzą, że znalezisko nie mogło być przypadkowe.

Dla Unzikera dość niepokojącym zbiegiem okoliczności jest to, że dane zarówno dla GW150914, jak i GW170817, pierwszych tego typu wydarzeń odnotowanych na głównych konferencjach prasowych, zostały uzyskane w „nienormalnych” okolicznościach i nie można było ich wówczas odtworzyć w znacznie lepszych warunkach technicznych pomiary długich serii.

Prowadzi to do wiadomości typu rzekomy wybuch supernowej (który okazał się iluzją), unikalne zderzenie gwiazd neutronowychzmusza naukowców do „przemyślenia obiegowych opinii” czy nawet czarnej dziury o średnicy 70 Słońc, którą zespół LIGO nazwał zbyt pochopnym potwierdzeniem swoich teorii.

Unziker ostrzega przed sytuacją, w której astronomia fal grawitacyjnych zyska haniebną reputację dzięki dostarczaniu „niewidzialnych” (w przeciwnym razie) obiektów astronomicznych. Aby temu zapobiec, oferuje większą przejrzystość metod, publikację stosowanych szablonów, standardy analiz i ustalenie daty ważności dla zdarzeń, które nie są niezależnie walidowane.