Re: [閒聊] 看來Higgs之後,又有新話題了!

[tingting88 ()]

※ 引述《pipidog (如果狗狗飛上天)》之銘言：
: https://www.youtube.com/watch?v=ZlfIVEy_YOA#t=75
: 看得出Linde真的很開心.
: 這幾乎在提前告訴他這次該你了!

今天所上辦了一個BICEP2的討論會
奉老闆的命 要來澆大家冷水一下XD
老闆(Eiichiro Komatsu 小松英一郎)是WMAP主要的科學家之一
現在在德國Max-Planck-Institute for Astrophysics當director

首先 大家應該都多少了解這次BICEP2到底是量到什麼
不過可能有些人還不了解 所以我就稍微簡介一下
(我會盡量翻譯成中文 可是有些我不會翻不夠熟的
或是覺得中文翻譯有點奇怪的 就還是用英文)

首先大家應該都大概知道宇宙微波背景輻射(CMB)
我們除了可以量CMB的溫度以外 也可以量它偏振的極性
CMB要產生偏振 一定要有以下兩個條件 (應該說任何的光子要產生偏振)
(1) 有自由電子 這樣才能產生Thomson scattering
(2) 自由電子周圍的光子成quadrupole的分佈

以下的圖可以讓大家了解CMB如何偏振
(image credit: Wayne Hu, University of Chicago)
首先是一個光子如何被電子偏振: http://ppt.cc/~3QA
因為光子是transverse wave
經過Thomson scattering後只有垂直光子行進方向的偏振會存在
如果有很多光子被電子偏振的話: http://ppt.cc/MXSj
雖然單一光子被偏振 可是如果入射光子的強度都一樣
散射出去的光子也不會被偏振
因此要產生偏振 電子周圍的光子一定是不均勻的: http://ppt.cc/sqYI
在宇宙中光子的數量是電子的10^10倍 對一個電子來說到處都是光子
所以要讓CMB偏振最簡單的狀況是quadrupole分布

       冷光子           假設散射後CMB的光子是朝大家的眼睛來
                        那我們觀測的偏振就會是垂直的
熱光子  電子  熱光子    換句話說 CMB的偏振會跟熱光子的分佈平行

       冷光子

偏振有兩個極性 E-mode跟B-mode: http://ppt.cc/BXzP
E-mode已經在WMAP7(http://ppt.cc/2xFI)和Planck(http://ppt.cc/2xFI)觀測到了
基本上只要有重力場 就會產生E-mode
而這次BICEP觀測到的B-mode 只會經由兩種方式產生
(1) 重力波 (2) 重力透鏡效應將E-mode轉變成B-mode
South Pole Telescope去年七月觀測到(2): http://arxiv.org/abs/1307.5830
不過這只會對小尺度(l~1000或~0.18度)產生影響
而這次BICEP2看到的B-mode大約是在l~80或~2.25度

重力波就是愛因斯坦場方程式中的tensor perturbation
重力波有兩個偏振: http://ppt.cc/PVsI http://ppt.cc/QQDK
大家可以想像重力波通過一個自由電子
由於重力波會影響時空 所以周圍的光子會被紅移或藍移
因此對於這個自由電子來說就會產生我剛剛說的quadrupole的分佈
又因為重力波有兩個偏振 因此如果產生了一個垂直或平行的偏振
也一定會產生正負45度旋轉的偏振
因此大家不難想像重力波可以同時造成E-mode跟B-mode
(重力場在愛因斯坦場方程式裡面是scalar perturbation 只會造成E-mode)
因此觀測到大尺度的B-mode就代表觀測到大尺度的重力波
(小尺度的B-mode是觀測到有重力透鏡的效應E-mode -> B-mode)

我看到有一些人對於觀測到重力波很興奮
不過早在CMB前就已經從中子星的雙星系統
非直接地發現重力波存在的證據: http://ppt.cc/Gy1O
而這次BICEP2發現的B-mode之所以重要
是因為這個"太初"重力波是"大尺度"的 而且是由"宇宙暴脹"造成的
因此如果BICEP2的發現如果是真的 就是宇宙暴脹發生過最直接的證明

宇宙暴脹是一個很瘋狂的點子 以下我提供我印象中的數字 可能有錯誤
宇宙必須在10^-43秒內從一個原子的大小膨脹成太陽系的大小
(我老闆說如果你在課本上讀到這個直接相信的話 他建議你去看醫生XD)
一開始宇宙暴脹的模型是為了解釋為什麼觀測到的宇宙均勻跟平坦
但是它最成功的(in my opinion)是可以將我們觀測到
CMB溫度差異跟大尺度結構跟量子力學結合在一起
一開始都只是量子微擾 但是宇宙一發生暴脹
暴脹場將這些微擾的波膨脹至哈柏半徑外
由於波長不再微小 因此這個波的特性就從量子變成古典
而我們今天在宇宙所看到所有的結構都是從量子微擾開始的
這樣大家應該可以了解宇宙暴脹是一個在物理學裡面非常重要的模型
因此BICEP2的發現才會這麼重要

!!!重點!!! 那我們到底能不能相信這次BICEP2的發現呢?
精準的答案是還不能完全相信
在記者會之前 我老闆在臉書上寫 如果有通過
(1) 有兩個以上的CMB頻率的觀測
(2) 不要只有一個data point
那他就會相信 不過BICEP2目前只做到(2)

大家可以看BICEP2 paper的圖9: http://arxiv.org/abs/1403.4302
很明顯在l=50-150(4個黑點)測量跟best-fit model很符合
(r=tensor/scalar是量化太初重力波的強度的參數 BICEP2 best-fit model的r=0.2)
!!!!!!!!但是他們只有150 GHz的觀測!!!!!!!!
如果真的要證明觀測到的B-mode是來自於太初重力波
不是來自於星系塵埃 實驗的系統誤差 或是其他原因
!!!!!!!!那必須要其他波段的結果!!!!!!!!!
如果在其他波段也看到B-mode 而且強度也一樣
那才能證明觀測到的B-mode是由太初重力波造成的
BICEP team現在已經開始做100 GHz了 所以大家可以等個一年左右
另外Planck大概今年十月十一月也會發佈偏振觀測的結果
如果r真的是0.2 Planck雖然不是設計來觀測偏振(而是精準地觀測溫度差)
但是儀器的靈敏度應該也會看到 所以大家就耐心地等吧

結論是 BICEP2看到了大尺度的B-mode 但是我們還是不能確定它的來源
所以大家先不要太興奮 諾貝爾獎還要再等等
(如果Planck沒看到就好玩惹)

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這篇打得很趕 很多地方寫得很簡略 也沒時間回頭校正 大家就隨意看看吧

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 130.183.86.243
推 sunev:專業給推
推 ijsfkira:專業推XD
推 bjiyxo:感謝分享！
推 shubonar:專業好文
→ NoOneThere:要看B-mode結果這篇比較好
→ NoOneThere:http://arxiv.org/abs/1403.3985
→ NoOneThere:現在比較大的問題是l=172-225部分明顯和理論不同
→ NoOneThere:如果結果正確, 可能理論會需要大改
推 fychang:你老闆該不會是 Prof. Eiichiro Komatsu?
→ fychang:推完才看到你老闆是誰 XD
→ fychang:https://www.facebook.com/eiichiro.komatsu
→ fychang:有興趣的人可以看一下
→ tingting88:NoOneThere大 當你說l=172-225有問題的時候 你是不是已
→ tingting88:經認為small-l的detection是沒有問題的? 我想說的只是
→ tingting88:在這之前我們無法確定測量到的訊號是太初重力波
→ tingting88:如果small-l的測量還有問題的話 那l=172-225其實沒有討
→ tingting88:論的必要 因為error bars也還很大 我們什麼也無法確定
推 mepass:很弱的問一下 這樣超越光速的暴漲沒問題嗎？
推 paopaotw:宇宙膨脹超越光速是可以的 因為只是尺度膨脹 非資訊傳遞
宇宙膨脹率無法跟光速比較
哈勃定律是v=Hd 哈勃常數的單位是時間分之一 跟光速單位不一樣
不過如果是說宇宙膨脹讓兩個物體的相對速率超過光速的話
那不需要宇宙暴脹 就算是很小的H 只要距離d夠大就可以讓v>c
由於這是空間的膨脹 不是物體真正的運動
所以相對速率超過光速並不會違反狹義相對論

→ NoOneThere:small-l當然也有在驗證的必要, 不過l=175-225部分與理
→ NoOneThere:論的差距已經至少有3 sigma detection, 無法用error
→ NoOneThere:bar解釋. 所以就算small l的結果能重複, 要認證這訊號
→ NoOneThere:是來自目前理論上的太初重力波可能還有問題.
→ NoOneThere:或說光是這次結果, 可能就有self-consistent的問題
我同意small-l也有驗證的必要
不過我想講的只是 現在說B-mode是來自於太初重力波還太早
如果大尺度的B-mode不是來自於太初重力波 而是foreground或是其他systematic
那小尺度的訊號也一定會被影響 但是現在提到要改理論還太早
※ 編輯: tingting88      來自: 130.183.89.224       (03/21 16:41)
→ NoOneThere:是的, 所以解釋大尺度訊號的來源會是個挺重要的問題
→ NoOneThere:好的方面也許可以發現新的B-mode soure或costrain理論
→ NoOneThere:壞的方面也許代表這次觀測結果會遭到質疑..
→ NoOneThere:因此在這問題解決前, 還不太有辦法下結論
→ paopaotw:um..我沒有說H哦
→ tingting88:paopaotw大 不好意思我回錯行了XD 我是要回給mepass大