คลื่นแห่งความไม่แน่นอน

ในเดือนมกราคมของปีนี้ มีรายงานว่าหอสังเกตการณ์ LIGO ได้บันทึก อาจเป็นเหตุการณ์ที่สองของการควบรวมกิจการของดาวนิวตรอนสองดวง ข้อมูลนี้ดูดีในสื่อ แต่นักวิทยาศาสตร์หลายคนเริ่มสงสัยอย่างจริงจังเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือของการค้นพบ "ดาราศาสตร์คลื่นแรงโน้มถ่วง" ที่เกิดขึ้นใหม่

ในเดือนเมษายน 2019 เครื่องตรวจจับ LIGO ในเมืองลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียน่า ตรวจพบการรวมวัตถุที่อยู่ห่างจากโลกประมาณ 520 ล้านปีแสง การสังเกตนี้ซึ่งทำด้วยเครื่องตรวจจับเพียงเครื่องเดียวที่ Hanford ถูกปิดใช้งานชั่วคราว และราศีกันย์ไม่ได้ลงทะเบียนปรากฏการณ์นี้ แต่ถึงกระนั้นก็ถือว่าเป็นสัญญาณที่เพียงพอของปรากฏการณ์

การวิเคราะห์สัญญาณ GW190425 ชี้ให้เห็นถึงการชนกันของระบบดาวคู่ที่มีมวลรวม 3,3 - 3,7 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (1) ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ามวลที่สังเกตได้ทั่วไปในระบบดาวนิวตรอนคู่ในทางช้างเผือกอย่างชัดเจน ซึ่งมีค่าระหว่าง 2,5 ถึง 2,9 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีการเสนอว่าการค้นพบนี้อาจเป็นตัวแทนของดาวนิวตรอนคู่ที่ไม่เคยมีใครสังเกตมาก่อน ไม่ใช่ทุกคนที่ชอบการเพิ่มจำนวนสิ่งมีชีวิตที่เกินความจำเป็น

1. ภาพจำลองการชนกันของดาวนิวตรอน GW190425

ความจริงที่เป็น GW190425 ถูกบันทึกโดยเครื่องตรวจจับเพียงเครื่องเดียว หมายความว่านักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถระบุตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ และไม่มีร่องรอยการสังเกตในช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นในกรณีของ GW170817 การควบรวมกิจการครั้งแรกของดาวนิวตรอนสองดวงที่ LIGO สังเกตพบ (ซึ่งเป็นที่น่าสงสัยเช่นกัน แต่เพิ่มเติมที่ด้านล่าง) เป็นไปได้ว่าสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ดาวนิวตรอนสองดวง บางทีหนึ่งในวัตถุ หลุมดำ. บางทีทั้งคู่ก็เป็น แต่จากนั้นพวกมันก็จะเป็นหลุมดำที่เล็กกว่าหลุมดำใดๆ ที่รู้จัก และแบบจำลองสำหรับการก่อตัวของหลุมดำไบนารีจะต้องถูกสร้างขึ้นใหม่

มีโมเดลและทฤษฎีเหล่านี้มากเกินไปที่จะปรับให้เข้ากับ หรือบางที "ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง" จะเริ่มปรับให้เข้ากับความเข้มงวดทางวิทยาศาสตร์ของการสังเกตอวกาศแบบเก่า?

ผลบวกลวงมากเกินไป

Alexander Unziker (2) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมันและนักเขียนวิทยาศาสตร์ยอดนิยมที่เคารพนับถือ เขียนบน Medium ในเดือนกุมภาพันธ์ว่า แม้จะมีความคาดหวังอย่างมาก เครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วง LIGO และ VIRGO (3) ก็ไม่มีอะไรน่าสนใจในหนึ่งปี ยกเว้นผลบวกลวงแบบสุ่ม นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าสิ่งนี้ทำให้เกิดข้อสงสัยอย่างมากเกี่ยวกับวิธีการใช้

ด้วยรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2017 ที่มอบให้แก่ Rainer Weiss, Barry K. Barish และ Kip S. Thorne คำถามที่ว่าจะสามารถตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงได้หรือไม่นั้นดูเหมือนว่าจะได้รับการแก้ไขในคราวเดียว การตัดสินใจของคณะกรรมการโนเบลกังวล การตรวจจับสัญญาณที่แรงมาก GW150914 นำเสนอในงานแถลงข่าวในเดือนกุมภาพันธ์ 2016 และสัญญาณ GW170817 ที่กล่าวถึงแล้วซึ่งเกิดจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนสองดวง เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์อีกสองดวงบันทึกสัญญาณบรรจบกัน

ตั้งแต่นั้นมา พวกเขาก็ได้เข้าสู่โครงการทางวิทยาศาสตร์อย่างเป็นทางการของฟิสิกส์ การค้นพบนี้กระตุ้นให้เกิดการตอบสนองอย่างกระตือรือร้น และคาดว่าจะมียุคใหม่ทางดาราศาสตร์ คลื่นความโน้มถ่วงควรจะเป็น "หน้าต่างใหม่" ของจักรวาล เพิ่มคลังแสงของกล้องโทรทรรศน์ที่รู้จักก่อนหน้านี้ และนำไปสู่การสังเกตรูปแบบใหม่ทั้งหมด หลายคนเปรียบเทียบการค้นพบนี้กับกล้องโทรทรรศน์ 1609 ของกาลิเลโอ ความไวที่เพิ่มขึ้นของเครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงมีความกระตือรือร้นมากขึ้น ความหวังสำหรับการค้นพบและการตรวจจับที่น่าตื่นเต้นมากมายในระหว่างรอบการสังเกต O3 ที่เริ่มขึ้นในเดือนเมษายน 2019 นั้นสูง อย่างไรก็ตาม Unziker ตั้งข้อสังเกตว่าเราไม่มีอะไร

เพื่อความชัดเจน ไม่มีสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่บันทึกไว้ในช่วงไม่กี่เดือนที่ผ่านมาที่ได้รับการยืนยันอย่างอิสระ แต่กลับมีสัญญาณบวกและสัญญาณปลอมจำนวนมากอย่างอธิบายไม่ถูก ซึ่งถูกปรับลดรุ่นแล้ว สิบห้าเหตุการณ์ล้มเหลวในการทดสอบการตรวจสอบกับกล้องโทรทรรศน์อื่น นอกจากนี้ 19 สัญญาณถูกลบออกจากการทดสอบ

บางส่วนได้รับการพิจารณาในขั้นต้นว่ามีความสำคัญมาก - ตัวอย่างเช่น GW191117j คาดว่าจะเป็นเหตุการณ์ที่มีความน่าจะเป็นหนึ่งใน 28 พันล้านปีสำหรับ GW190822c - หนึ่งใน 5 พันล้านปี และสำหรับ GW200108v - 1 ใน 100 ปีที่. เมื่อพิจารณาว่าระยะเวลาสังเกตที่อยู่ระหว่างการพิจารณายังไม่ถึงปี จึงมีผลบวกที่ผิดพลาดมากมาย อาจมีบางอย่างผิดปกติกับวิธีการส่งสัญญาณ Unziker แสดงความคิดเห็น

เกณฑ์ในการจำแนกสัญญาณว่าเป็น "ข้อผิดพลาด" ในความเห็นของเขานั้นไม่โปร่งใส ไม่ใช่แค่ความคิดเห็นของเขา นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่มีชื่อเสียง Sabina Hossenfelder ซึ่งเคยชี้ให้เห็นถึงข้อบกพร่องในวิธีการวิเคราะห์ข้อมูลเครื่องตรวจจับ LIGO แสดงความคิดเห็นในบล็อกของเธอว่า "นี่ทำให้ฉันปวดหัวเลย หากคุณไม่ทราบว่าเหตุใดเครื่องตรวจจับของคุณจึงหยิบของที่ดูเหมือนจะไม่เป็นอย่างที่คุณคาดไว้ คุณจะไว้วางใจได้อย่างไรเมื่อเห็นสิ่งที่คุณคาดหวัง

การตีความข้อผิดพลาดแสดงให้เห็นว่าไม่มีขั้นตอนที่เป็นระบบในการแยกสัญญาณจริงจากสัญญาณอื่น ๆ นอกเหนือจากเพื่อหลีกเลี่ยงความขัดแย้งที่ชัดเจนกับการสังเกตอื่น ๆ น่าเสียดายที่ "การค้นพบผู้สมัคร" มากถึง 53 กรณีมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน - ไม่มีใครสังเกตเห็นสิ่งนี้ยกเว้นนักข่าว

สื่อมีแนวโน้มที่จะเฉลิมฉลองการค้นพบ LIGO/VIRGO ก่อนเวลาอันควร เมื่อการวิเคราะห์และค้นหาคำยืนยันที่ตามมาล้มเหลว อย่างที่เป็นเวลาหลายเดือนแล้ว สื่อก็ไม่มีความกระตือรือร้นหรือการแก้ไขใดๆ อีกต่อไป ในช่วงที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่านี้ สื่อไม่แสดงความสนใจเลย

ตรวจพบเพียงหนึ่งเดียวเท่านั้น

ตาม Unziker หากเราติดตามการพัฒนาของสถานการณ์ตั้งแต่ประกาศเปิดตัวที่มีชื่อเสียงในปี 2016 ข้อสงสัยในปัจจุบันไม่ควรแปลกใจ การประเมินข้อมูลอย่างอิสระครั้งแรกดำเนินการโดยทีมงานที่สถาบัน Niels Bohr ในโคเปนเฮเกน นำโดย Andrew D. Jackson การวิเคราะห์ข้อมูลเผยให้เห็นความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดในสัญญาณที่เหลือซึ่งต้นกำเนิดยังไม่ชัดเจนแม้ว่าทีมงานจะอ้างว่า รวมความผิดปกติทั้งหมด. สัญญาณจะถูกสร้างขึ้นเมื่อมีการเปรียบเทียบข้อมูลดิบ (หลังจากการประมวลผลล่วงหน้าและการกรองอย่างละเอียด) กับเทมเพลตที่เรียกว่า นั่นคือ สัญญาณที่คาดหมายตามทฤษฎีจากการจำลองตัวเลขของคลื่นโน้มถ่วง

อย่างไรก็ตาม เมื่อวิเคราะห์ข้อมูล ขั้นตอนดังกล่าวจะเหมาะสมก็ต่อเมื่อมีการสร้างสัญญาณที่มีอยู่จริงและทราบรูปร่างของสัญญาณได้อย่างแม่นยำเท่านั้น มิฉะนั้น การวิเคราะห์รูปแบบเป็นเครื่องมือที่ทำให้เข้าใจผิด แจ็คสันทำให้สิ่งนี้มีประสิทธิภาพมากในระหว่างการนำเสนอ โดยเปรียบเทียบขั้นตอนกับการจดจำภาพอัตโนมัติของป้ายทะเบียนรถ ใช่ ไม่มีปัญหากับการอ่านที่แม่นยำบนภาพที่ไม่ชัด แต่ถ้ารถทุกคันที่วิ่งผ่านในบริเวณใกล้เคียงมีป้ายทะเบียนที่มีขนาดและรูปแบบที่เหมาะสมเท่านั้น อย่างไรก็ตาม หากอัลกอริทึมถูกนำไปใช้กับรูปภาพ "ในธรรมชาติ" มันจะจดจำป้ายทะเบียนจากวัตถุสว่างใดๆ ที่มีจุดสีดำ นี่คือสิ่งที่ Unziker คิดว่าสามารถเกิดขึ้นได้กับคลื่นความโน้มถ่วง

3. เครือข่ายเครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงในโลก

มีข้อสงสัยอื่นๆ เกี่ยวกับวิธีการตรวจจับสัญญาณ เพื่อตอบสนองต่อการวิจารณ์ กลุ่มโคเปนเฮเกนได้พัฒนาวิธีการที่ใช้ลักษณะทางสถิติล้วนๆ เพื่อตรวจจับสัญญาณโดยไม่ต้องใช้รูปแบบ เมื่อนำไปใช้งานครั้งแรกของเดือนกันยายน 2015 ยังคงมองเห็นได้ชัดเจนในผลลัพธ์ แต่ ... จนถึงตอนนี้มีเพียงสิ่งนี้เท่านั้น คลื่นความโน้มถ่วงที่แรงเช่นนี้สามารถเรียกได้ว่า "โชคดี" ไม่นานหลังจากการเปิดตัวเครื่องตรวจจับแรก แต่หลังจากห้าปี การขาดการยืนยันการค้นพบเพิ่มเติมเริ่มก่อให้เกิดความกังวล หากไม่มีสัญญาณที่มีนัยสำคัญทางสถิติในอีก XNUMX ปีข้างหน้า จะมี การพบเห็นครั้งแรกของ GW150915 ยังถือว่าจริง?

บ้างก็ว่ามาทีหลัง การตรวจจับ GW170817นั่นคือสัญญาณเทอร์โมนิวเคลียร์ของดาวนิวตรอนคู่ที่สอดคล้องกับการสังเกตด้วยเครื่องมือในบริเวณรังสีแกมมาและกล้องโทรทรรศน์ออปติคัล น่าเสียดายที่มีความไม่สอดคล้องกันหลายประการ: การตรวจจับ LIGO ไม่ถูกค้นพบจนกระทั่งหลายชั่วโมงหลังจากที่กล้องโทรทรรศน์อื่นสังเกตเห็นสัญญาณ

ห้องแล็บ VIRGO ซึ่งเปิดตัวเมื่อสามวันก่อนเท่านั้น ไม่มีสัญญาณที่จำได้ นอกจากนี้ เครือข่าย LIGO/VIRGO และ ESA เกิดขัดข้องในวันเดียวกัน มีข้อสงสัยเกี่ยวกับความเข้ากันได้ของสัญญาณกับการควบรวมดาวนิวตรอน สัญญาณแสงที่อ่อนแอมาก ฯลฯ ในทางกลับกัน นักวิทยาศาสตร์หลายคนที่ศึกษาคลื่นโน้มถ่วงอ้างว่าข้อมูลทิศทางที่ได้รับจาก LIGO นั้นแม่นยำกว่าข้อมูลของ LIGO มาก กล้องโทรทรรศน์อีก XNUMX ตัว และพวกเขาบอกว่าการค้นพบนี้ไม่น่าจะเกิดขึ้นโดยบังเอิญ

สำหรับ Unziker เป็นเรื่องบังเอิญที่ค่อนข้างน่ารำคาญที่ข้อมูลสำหรับทั้ง GW150914 และ GW170817 ซึ่งเป็นเหตุการณ์แรกของประเภทนี้ที่ระบุไว้ในงานแถลงข่าวใหญ่ ๆ ได้มาภายใต้สถานการณ์ "ผิดปกติ" และไม่สามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขทางเทคนิคที่ดีกว่ามากในขณะนั้น การวัดชุดยาว

สิ่งนี้นำไปสู่ข่าวเช่นการระเบิดซูเปอร์โนวา (ซึ่งกลายเป็นภาพลวงตา) การชนกันของดาวนิวตรอนที่ไม่เหมือนใครมันบังคับให้นักวิทยาศาสตร์ต้อง "คิดใหม่หลายปีของภูมิปัญญาดั้งเดิม" หรือแม้แต่หลุมดำ 70 พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งทีม LIGO เรียกร้องให้มีการยืนยันทฤษฎีของพวกเขาอย่างเร่งรีบเกินไป

Unziker เตือนถึงสถานการณ์ที่ดาราศาสตร์คลื่นโน้มถ่วงจะได้รับชื่อเสียงที่น่าอับอายในการจัดหาวัตถุทางดาราศาสตร์ที่ "มองไม่เห็น" (มิฉะนั้น) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น มีวิธีการที่โปร่งใสมากขึ้น เผยแพร่เทมเพลตที่ใช้ มาตรฐานการวิเคราะห์ และกำหนดวันหมดอายุสำหรับเหตุการณ์ที่ไม่ได้รับการตรวจสอบโดยอิสระ