B 模式可能来自银河系的星际尘埃:微波被我们星系中的尘埃散射之后,也能得到类似的模式。那么该如何证明它不是尘埃,而是宇宙微波背景上的引力波的特征呢? 我们需要高频数据。
尘埃产生的偏振随频率的增加而急剧增加。但 BICEP2 的工作频率仅有 150 GHz,对应的波长约为 2 毫米。将工作频率翻一倍,尘埃的信号强度将增大两倍。如果真的是尘埃造成了这种 B 模式,那将频率增加到 300 GHz 就能将其分辨出来……要是我们真有这么高频率的数据就好了。
事实上,还真有这样的数据图,而它属于我们的竞争对手——“普朗克”卫星。直到 2014 年初,“普朗克”都没有公布他们的 B 模偏振数据。我们担心他们不仅掌握了证明我们测量结果正确与否的关键,更有可能在我们之前就已经捕捉到了暴涨理论的 B 模式信号。
我们拼命试图与“普朗克”团队合作,同时还不能让他们知道我们发现了什么,这种感觉就像在走钢丝。同时,BICEP2 的数据频率覆盖也是一个大难题。
最终,“普朗克”团队不愿合作。我们只能自力更生,用数量来补偿 BICEP2 在频率质量上的不足。我们用旧数据制作了五种不同的尘埃模型,这五种模型均能预测星系中某个区域的总辐射,即尘埃产生的总热量,但都不能给出我们在南极测得的偏振量。
事情很快出现了转机:研究银河偏振的专家、“普朗克”团队成员让-菲利普·伯纳德(Jean-Philippe Bernard)同年在网上传了一篇论文,展示了宝贵的尘埃分布的实际测量图。
测量图一经发现,我的同僚就将其数字化,推导出了我们没能要到的普朗克数据。但是我们都认为这是一种“偷偷摸摸”的做法,很多同僚也不赞成——我们使用了未经发表的数据,还将这张单一的、定性的图片其转化成数字化的信息。最终,我们得到了一个仅凭 BICEP 数据无法得到的模型,其中包含了我们渴望已久的信息。
是逐梦诺奖,还是哗众取宠?
担心可能会出现系统误差,“普朗克”团队并没有公开发表这张图片,但却把它放到了网上,可以公开下载。这些数据一开始仅仅是增加了我们的信心,而后发挥的作用越来越大,据此我们推导出银河系尘埃能够被忽略,证实了一个难以置信的结论:我们发现了暴涨理论的 B 模偏振!
我们之前对五个模型的分析也表明,看到的 B 模偏振极可能无法用尘埃来解释,普朗克的测量图仅仅证实了上述结果。决定性证据来自于我的 BICEP 望远镜(现已更名为 BICEP1)。BICEP2 观测天空时只有 150 GHz 这一个频率,在此频率下 CMB 强度最大;但 BICEP1 有三种频率:90、150 和 220 GHz,这就可以很大概率排除尘埃的影响。这种信号来自尘埃的概率仅有 5%。
如果你“仅有”95% 的概率中奖,你会买这张宇宙史上最诱人的彩票吗?毫无疑问会吧!普朗克的图片与 BICEP1 的数据合在一起,说服了包括我在内的团队所有 49 人。为了我们的诺贝尔梦,是时候发表结果了。
新闻发布会后,三周内发表的与我们研究结果直接相关的论文就有 250 篇。这个数量十分惊人:如果某篇论文几十年内能被引用 250 次,那就是一篇“高被引”论文了。在四月初的时候,我收到了物理学家马蒂亚斯·查达利亚加(Matias Zaldarriaga)的电子邮件,这封我以为会溢满祝贺之词的邮件,却充满了对研究细节上的盘问。
“尘卑而广者,徒来也。
——《孙子兵法》”
我一直在担心的“审判”就此拉开序幕。普林斯顿流言四起,都在谈论我们使用了未公开的普朗克图片中的数据。他在邮件中说:“普林斯顿的研究者对尘埃非常感兴趣,他们的解释使我相信,文中没有充足的理由来确认这不是尘埃造成的。请问你们有自己观测过前景(foregrounds)吗?”
我当然看过前景,我们整个团队都很担心会我们观测到的星系数据会产生伪原初 B 模引力波,但是来自 BICEP1 的低频数据和来自普朗克测量图的高频数据,让我们相信自己是正确的。
包括大卫·斯珀格尔(David Spergel)在内的诸多普林斯顿大学(Princeton University)研究者都对我们模拟尘埃的方式存疑。这是预料之中的事,也许他们只是因为有人在发现 CMB 这件事上挫败了他们,而感到沮丧。
马蒂亚斯写到:“我认为我们这儿,大家已经在不眠不休地探讨这件事了。”我心脏都紧张地停跳了,毕竟普林斯顿大学的宇宙学研究在全国数一数二,这个盛殿级的研究小组包括世界上最好的实验学家和理论学家。我们就像是在参与一场暴涨理论的审判。
马蒂亚斯告诉我,银河系的尘埃偏振比 BICEP2 的科学家们预想的要高。我们可能没注意到的是,我们将普朗克的测量图数字化,那他们也可以在结果未发表之前,将我们的图片转化为测量数据。成也图片,败也图片。
他补充说:“我只是希望最后能有一个客观的结果。怀疑之声不容小觑,所以我希望你们能加以回应,详尽解释一下你们是如何使用普朗克测量图中的数据的。”
5 月初,拉斐尔·弗罗杰(Raphael Flauger)及合作者对我们的数据分析完毕,结果对 BICEP2 很是不利。他表示我们使用了普朗克测量图中一个错误的尘埃偏振量,比正确值少 4 倍。如果真是这样,那 BICEP2 将会成为历史上最著名的“尘埃观测器”。
但弗罗杰的分析也不能决定一切。他很冷静地说:“我希望还有其他信号,我并不想引起一场争斗;科学就是这样,有人给出结果,就会有其他人加以检验。但这个过程一般不会呈现给公众。”我们对“普朗克”数据的解释有误,但这不代表着我们真的错了,还需要我们两方无法得到的新数据来检验。
转眼到了夏初,BICEP2 团队在惊慌失措的氛围下,一遍又一遍分析之前的数据、回应质疑,对媒体和学术会议做出解释。
科学之争存在的同时,还有媒体铺天盖地的评论。哈佛新闻发布会是否哗众取宠,成为所有科学领域中最热门的话题之一。我们收到的有关 BICEP2 太过张扬的批评,与不当使用测量图的批评一样多。
实际上标准的程序是先进行一个月的同行评审,而后再召开新闻发布会。但对 BICEP2 团队而言,这一过程存在许多问题,令人担忧:首先,在同行评审、重新编辑和提交的过程中,可能会被竞争对手抢先一步;其次,我们担心在杂志上发表论文并不公平,会把评议局限在一组特定的人身上。
《纽约时报》记者丹尼斯·奥弗比(Dennis Overbye)认为,先行召开新闻发布会,这种公开消息的过程有些哗众取宠。他表示:“科技新闻发布会的背后,是自负与张扬的并存。”
闹剧结束
2014 年 6 月,也就是我们召开新闻发布会后三个月,经过同行评议的论文发表在了Physical Review Letters上。我们采纳了两位匿名评审人的建议,去掉了所有我们从“普朗克”测量图上获得的数据。删去数据只是对舆论的屈服。“普朗克”团队承诺将很快解决这一问题,在未来几个月内发布最新的数据。
“普朗克”卫星能够在 353 GHz 进行观测,这一频率几乎只对尘埃敏感。这一频率为消除尘埃影响而生,我们都希望“普朗克”的 353 GHz 观测能挽回一切,量化测量图的质量,证实我们的结论。
等待的夏天炎热又漫长。
然而“普朗克” 353 GHz 观测的论文,给 BICEP2 团队无情地泼了一盆冷水。尽管“普朗克”团队在公布南极的测量数据时十分谨慎,他们有关南极尘埃偏振污染的结论却相当直白,认为“其与 BICEP2 观测值大小相同”。也就是说,是尘埃导致了我们所谓“暴涨理论 B 模引力波”的出现。
普朗克卫星的观测结果,颜色表示来自星际尘埃的热辐射
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