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2014-12-1

谈谈B模偏振信号可能的尘埃污染问题

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 11:38 am

今年上半年最具爆炸性的天文进展应该是BICEP2小组宣布在宇宙背景辐射中发现了源自原初引力波的B模偏振信号了。消息一出,宇宙学界兴奋之余,也免不了提出诸多的质疑。不过这种质疑到了媒体报道中多少有些变味,或者说在个人看来,媒体几乎没有抓到实质所在,索性扯上几句,当是正视听了。

BICEP2小组的数据分析也好,组外人士的质疑也罢,这里最关键的问题在于前景的扣除。BICEP2是架设在南极点附近阿蒙森—斯科特科考站的低温微波天线,之所以选址在南极,是因为它可以在这里充分利用漫长的极夜,专门透过南银极附近一片据信尘埃较为稀薄的天区观测宇宙背景。但这里的尘埃也只是相对少而已,对于宇宙学观测来说,银河系中尘埃前景的干扰是在全天都要面对的大麻烦。

而且BICEP2的目的是发现微波背景辐射的偏振,而河内尘埃的辐射也是带有偏振特性的,这是因为银河系中贯穿着结构复杂的磁场,尘埃长轴更多会集中在垂直于磁场的方向上。更要命的是,尘埃偏振的信号强度与背景辐射相当甚至更强。因此BICEP2也好,类似的其他项目也罢,统统都是在雾里看花,如果不能有效扣除前景尘埃辐射,其数据的可靠性都是值得质疑的。当然,研究者大可充分利用尘埃辐射的偏振来勾勒银河系的磁场结构,这又是他话。

经由尘埃辐射确定的银河系复杂的磁场结构。(图片提供:ESA/Planck Collaboration)

更麻烦的问题在于红外背景辐射。红外背景的起源是河外星系尘埃辐射的总和,其形态类似于河内尘埃,但由于来自四面八方,偏振信息被抹平。如果不能有效扣除红外背景辐射的影响,就很难估计出河内尘埃信号的偏振度,因此会影响针对微波背景辐射的干扰。

现在最可靠的尘埃分布是由欧洲空间局的普朗克探测器提供的。BICEP2小组用的是普朗克小组在2013年春公布的数据(未扣除红外背景),宣称发现了微波背景辐射中的B模偏振。问题在于,在BICEP2的结果公布后不久,普朗克小组也更新了尘埃辐射信息,其中涉及了红外背景辐射的扣除。

BICEP2小组使用的普朗克尘埃辐射全天图。(图片提供:Planck Collaboration)

由此其他小组就可以使用更新后的普朗克数据来重新审视BICEP2的结果了。其结论不少人也都有所了解了,他们认为BICEP2小组低估了河内尘埃的偏振,其结果值得质疑,因为现在我们并不能确定这些偏振信号是源自河内尘埃,还是微波背景辐射本身的。

以上都还是6月的消息。必须要说明的是,这一切质疑也都需要质疑,原因只有两个字:外推。无论是BICEP2小组还是质疑者,统统都在进行外推。有外推就可能出现误差,就会降低结果的可信度。原理很简单,但不知何故,这一点被众多媒体一致忽视。莫非是记者科学常识不足,不能理解什么叫做外推?

红外背景辐射修正前后的普朗克尘埃辐射数据都对应353 GHz的频率,但BICEP2是在150 GHz的频率上工作的。为了将尘埃数据用于研究,必须要根据353 GHz的数据推算出尘埃辐射在150 GHz处的形态,这就需要依赖模型假设了。另外一处值得质疑之处是,BICEP2小组所用的尘埃辐射数据虽然存在红外背景的污染,但好歹还是对应观测天区的;由于银极附近数据处理的难度,普朗克小组还没有公布相应的尘埃辐射情况,现在质疑者是利用其他天区的尘埃辐射数据外推到南银极再提出质疑的,听起来不免让人觉得有些荒唐,大家都太猴急了吧……

9月,普朗克小组公布了银极附近的尘埃辐射数据,发现源自尘埃的偏振信号与BICEP2公布的强度相当,进一步动摇了BICEP2的结果。但是这里的问题还在于外推,因为新公布的数据还是针对353 GHz的,就不提其中可能存在的种种误差了。要特别说明的是,在高频波段,辐射的主导就是尘埃,因此普朗克小组选择这一波段来测量河内尘埃的情况。但是在低频波段,具体情况就两说了。

但是抛开外推不谈,普朗克现在的结果看上去对BICEP2不是很有利。前面说过,BICEP2的目标是透过银极附近尘埃相对稀少的区域来窥探宇宙微波背景。根据普朗克小组公布的数据,BICEP2其实没有选择尘埃数量最少的最佳天区,而是略有偏离,因此前景尘埃的污染可能比预期更大。

普朗克小组估计出的南(右)北(左)银极附近尘埃分布图,右图中黑色框线对应BICEP2的视场。(图片提供:Planck Collaboration)

最终的定论还要等到年末普朗克小组全面公布各波段全天尘埃偏振辐射之后了。不过就算随后BICEP2的发现被暂时否定,整个事件也带给了研究者众多的经验教训,而且还提供了迄今最全面最灵敏的尘埃偏振分布图,积累了相关的数据处理经验。当下除了BICEP2,还有其他多台仪器在从事类似的B模偏振搜索工作,在此一并祝其好运。

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