Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Fale niepewności

Fale niepewności
W styczniu tego roku pojawiła się informacja, że obserwatorium LIGO wykryło prawdopodobnie drugie zdarzenie połączenia się dwóch gwiazd neutronowych. W mediach taka informacja wygląda świetnie, ale 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 sygnał fali grawitacyjnej z połączenia obiektów znajdujących się w odległości około 520 mln lat świetlnych od Ziemi. Obserwacja ta, wykonana na zaledwie jednym detektorze, ten w Hanford chwilowo był wyłączony a Virgo nie zarejestrował zjawiska, została mimo to uznana za wystarczający sygnał zjawiska.

Analiza sygnału GW190425 wskazywała na zderzenie układu podwójnego o łącznej masie 3,3 - 3,7 razy większej od masy Słońca (1). To wyraźnie więcej niż masy zwykle obserwowane w układach podwójnych gwiazd neutronowych w Drodze Mlecznej, które mają od 2,5 do 2,9 mas Słońca. Zasugerowano, że odkrycie może reprezentować populację podwójnych gwiazd neutronowych, których wcześniej nie obserwowano. Nie wszystkim podoba się takie mnożenie bytów ponad potrzebę.

1. Wizualizacja zderzenia gwiazd neutronowych GW190425

Fakt, iż GW190425 został zarejestrowany za pomocą jednego detektora oznacza, że naukowcy nie byli w stanie dobrze określić lokalizacji, zaś w zakresie elektromagnetycznym nie ma obserwacyjnego śladu, takiego jak w przypadku GW170817, pierwszego połączenia się dwóch gwiazd neutronowych zaobserwowanego przez LIGO (co też zresztą budzi wątpliwości, ale o tym niżej). Nie można wykluczyć, że jednak nie były to dwie gwiazdy neutronowe. Jeden z obiektów mógł być czarną dziurą. A może nawet oba były. Ale wtedy byłyby to czarne dziury mniejsze niż jakiekolwiek znane czarne dziury i trzeba by znów przebudować modele dotyczące tworzenia się układów podwójnych czarnych dziur.

Trochę za dużo tych modeli i teorii, które trzeba dostosowywać do detekcji fal grawitacyjnych. A może to "astronomia fal grawitacyjnych" zaczęłaby dostosowywać się do rygorów naukowych obowiązujących w starszych dziedzinach obserwacji kosmosu?

Za dużo fałszywych alarmów

Alexander Unzicker (2), niemiecki fizyk teoretyczny i ceniony autor tekstów popularnonaukowych napisał w lutym w serwisie Medium, iż pomimo ogromnych oczekiwań, detektory fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO (3) od roku nie pokazują nic ciekawego, poza pojawiającymi się od czasu do czasu fałszywymi alarmami. Zdaniem uczonego, budzi to poważne wątpliwości co do stosowanej metody.

2. Alexander Unzicker

Wraz z przyznaniem w 2017 roku Nagrody Nobla z fizyki Rainerowi Weissowi, Barry’emu C. Barishowi i Kipowi S. Thorne’owi kwestia, czy udało się wykryć fale grawitacyjne, wydawała się być rozstrzygnięta raz na zawsze. Decyzja Komitetu Noblowskiego dotyczyła detekcji niezwykle silnego sygnału GW150914 przedstawionego na konferencji prasowej w lutym 2016 roku oraz wspominanego już sygnału GW170817, który został przypisany fuzji dwóch gwiazd neutronowych, ponieważ dwa inne teleskopy zarejestrowały zbieżny sygnał.

Od tego czasu fale grawitacyjne weszły do oficjalnego obiegu naukowego w fizyce. Odkrycia wywołały entuzjastyczne reakcje i oczekiwano nowej ery astronomii. Fale grawitacyjne miały stać się "nowym oknem" na Wszechświat, dołączając do arsenału znanych wcześniej teleskopów i prowadząc do zupełnie nowych rodzajów obserwacji. Wielu porównywało to odkrycie do teleskopu Galileusza z 1609 roku. Jeszcze bardziej entuzjastycznie przyjęto zwiększenie czułości detektorów fal grawitacyjnych. Nadzieje na dziesiątki spektakularnych odkryć i detekcji podczas cyklu obserwacyjnego O3, który rozpoczął się w kwietniu 2019 roku, były ogromne. Jednak jak do tej, pory, zauważa Unzicker, nie mamy nic.

Dokładnie mówiąc, żadnego z sygnałów fal grawitacyjnych odnotowany w ostatnich kilkunastu miesiącach nie można było niezależnie zweryfikować. Zamiast tego pojawiła się niewytłumaczalnie duża liczba fałszywych alarmów i sygnałów, które zostały następnie zdegradowane. Piętnaście zdarzeń nie przeszło testu weryfikacji za pomocą innych teleskopów. Ponadto 19 sygnałów zostało wycofanych z weryfikacji.

Niektóre z nich zostały początkowo uznane za bardzo znaczące - na przykład GW191117j szacowano jako zdarzenie z prawdopodobieństwem jeden 28 miliardów lat, dla GW190822c było to jeden na 5 miliardów lat, zaś dla GW200108v 1 na 100 tys. lat. Biorąc pod uwagę, że rozpatrywany okres obserwacji nie wynosił nawet całego roku, to jest dużo tych fałszywych alarmów. Coś może być nie tak z samą metodą zgłaszania sygnałów, komentuje Unzicker.

Kryteria, według których identyfikuje się sygnały jako "błędy", są, jego zdaniem, nieprzejrzyste. To nie tylko jego opinia. Znana fizyk teoretyczna Sabine Hossenfelder, która już dawniej wskazywała na braki w metodach analizy danych z detektora LIGO, komentowała na swoim blogu: "To daje mi trochę bólu głowy, ludzie. Jeśli nie wiecie, dlaczego wasza czujka wykrywa coś, co nie wygląda na to, czego się spodziewacie, to jak możecie jej ufać w przypadkach, gdy widzi to, czego się spodziewacie?"

Interpretacja błędów sugeruje, że nie ma systematycznej procedury oddzielania rzeczywistych sygnałów od innych, poza unikaniem rażącej sprzeczności z innymi obserwacjami. Niestety aż 53 przypadki "odkryć-kandydatów" mają jedną wspólną cechę - nikt inny poza zgłaszającym sygnał tego nie zauważył.

Media mają skłonność do przedwczesnego świętowania odkryć LIGO/VIRGO. Gdy późniejsze analizy i poszukiwanie potwierdzeń zawodzi, a dzieje się tak od kilkunastu miesięcy, medialnego entuzjazmu już nie ma, ale też nie ma sprostowań. W ogóle nie ma zainteresowania mediów tym mniej efektownym etapem.

Tylko jedna detekcja nie budzi wątpliwości

Zdaniem Unzickera, gdyby śledzić rozwój sytuacji od momentu głośnego komunikatu o odkryciu w 2016 roku, obecne wątpliwości nie powinny być zaskoczeniem. Pierwsza niezależna ocena danych została przeprowadzona przez zespół z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze, kierowany przez Andrew D. Jacksona. Ich analiza danych ujawniła dziwne korelacje w pozostałych sygnałach, których pochodzenie jest nadal niejasne, pomimo twierdzeń zespołu, że wszystkie anomalie zostały uwzględnione. Sygnały są generowane, gdy dane surowe (po znacznym przetworzeniu wstępnym i filtracji) są porównywane z tzw. szablonami, czyli teoretycznie oczekiwanymi sygnałami z numerycznych symulacji fal grawitacyjnych.

W analizie danych taka procedura jest jednak właściwa tylko wtedy, gdy samo istnienie sygnału jest ustalone i jego forma jest dokładnie znana. W przeciwnym razie analiza szablonowa jest narzędziem wprowadzającym w błąd. Jackson bardzo skutecznie wizualizował to podczas prezentacji, porównując procedurę do automatycznego rozpoznawania obrazu tablic rejestracyjnych samochodów. Owszem, nie ma problemu z dokładnym odczytem z rozmytego obrazu, ale tylko wtedy, gdy wszystkie samochody jeżdżące w pobliżu mają tablice rejestracyjne o dokładnie określonym rozmiarze i stylu. Jeśli jednak algorytm zostanie zastosowany do obrazów "z natury", rozpoznałby numer tablicy rejestracyjnej z dowolnego jasnego obiektu z czarnymi plamami. Tak właśnie, jak sądzi Unzicker, może się dziać z falami grawitacyjnymi.

3. Sieć detektorów fal grawitacyjnych na świecie

Pojawiły się również inne wątpliwości co do metodologii wykrywania sygnałów. W odpowiedzi na krytykę grupa z Kopenhagi opracowała metodę, która wykorzystuje czysto statystyczne cechy do wykrywania sygnałów, nie korzystając przy tym z szablonów. Po jej zastosowaniu, pierwsze zdarzenie z września 2015 r. jest wciąż wyraźnie widoczne wynikach, ale…, jak na razie, tylko to jedno. Tak silną falę grawitacyjną wkrótce po oddaniu pierwszego detektora do użytku można nazwać "fartem", ale po pięciu latach brak kolejnych potwierdzonych odkryć zaczyna wywoływać niepokój. Jeśli przez kolejne dziesięć lat nie pojawi się żaden statystycznie istotny sygnał, to czy pierwszą detekcję GW150915 wciąż należy uznawać za prawdziwą?

Ktoś powie, że przecież była późniejsza detekcja GW170817, czyli sygnał fuzji binarnej gwiazdy neutronowej, zgodny z obserwacjami przyrządów w zakresie promieniowania gamma oraz teleskopów optycznych. Niestety, istnieje wiele niespójności: Detekcja LIGO została ujawniona dopiero kilka godzin po tym, jak inne teleskopy oznaczyły sygnał.

Laboratorium VIRGO, uruchomione zaledwie trzy dni wcześniej, nie dostarczyło żadnego rozpoznawalnego sygnału. Poza tym w tym samym dniu miała miejsce awaria sieci w LIGO/VIRGO i ESA. Były wątpliwości co do kompatybilności sygnału z fuzją gwiazd neutronowych, bardzo słaby sygnał optyczny itp. Z drugiej strony, wielu naukowców zajmujących się falami grawitacyjnymi twierdzi, że informacja kierunkowa LIGO była znacznie dokładniejsza niż w przypadku dwóch pozostałych teleskopów i twierdzi, że znalezisko nie mogło być przypadkowe.

Dla Unzickera dość niepokojącym zbiegiem okoliczności jest fakt, że dane dotyczące zarówno GW150914, jak i GW170817, pierwszych wydarzeń tego rodzaju, świętowanych na wielkich konferencjach prasowych, zostały uzyskane w "nierutynowych" okolicznościach i nie mogły być odtworzone w znacznie lepszych warunkach technicznych podczas długich serii pomiarów.

Skutkuje to wiadomościami, takimi jak rzekoma eksplozja supernowych (która okazała się iluzją), wyjątkowe zderzenie gwiazd neutronowych, które zmusza naukowców do "przemyślenia lat akceptowanej wiedzy", czy nawet czarna dziura o 70 masach Słońca, którą zespół LIGO nazwał nieco zbyt pochopnie potwierdzeniem swoich teorii.

Unzicker ostrzega przed sytuacją, gdy astronomia fal grawitacyjnych zyska niechlubną reputację dostarczycielki "niewidzialnych" (w żaden inny sposób) obiektów astronomicznych. Aby tak się nie stało proponuje większą przejrzystość metod, opublikowanie stosowanych szablonów, standardów analizy, ustanowienie daty ważności dla zdarzeń, które nie zyskują niezależnego potwierdzenia.

Mirosław Usidus