Хвилі невизначеності

У січні цього року повідомлялося, що обсерваторія LIGO зафіксувала, можливо, другу подію злиття двох нейтронних зірок. Ця інформація чудово виглядає в ЗМІ, але у багатьох вчених починають виникати серйозні сумніви в достовірності відкриттів «гравіто-хвильової астрономії», що зароджується.

У квітні 2019 року детектор LIGO у Лівінгстоні, штат Луїзіана, виявив комбінацію об'єктів, розташованих приблизно за 520 мільйонів світлових років від Землі. Це спостереження, зроблене лише на одному детекторі, в Хенфорді, було тимчасово відключено, і Вірго не зареєструвала явище, проте вважала достатнім сигналом явища.

Аналіз сигналів GW190425 вказав на зіткнення подвійної системи із загальною масою у 3,3 – 3,7 рази більше за масу Сонця (1). Це явно більше, ніж маси, які зазвичай спостерігаються в подвійних нейтронних зоряних системах Чумацького Шляху, які становлять від 2,5 до 2,9 мас Сонця. Було висловлено припущення, що відкриття може бути популяцією подвійних нейтронних зірок, яка раніше не спостерігалася. Не всім подобається це множення істот понад потребу.

1. Візуалізація зіткнення нейтронної зірки GW190425.

Справа в тому, що GW190425 була зафіксована одним детектором означає, що вчені не змогли точно визначити місцезнаходження, а в електромагнітному діапазоні немає спостережного сліду, як у випадку з GW170817, першого злиття двох нейтронних зірок, що спостерігається LIGO (що також сумнівно, але про це нижче). Не виключено, що це були дві нейтронні зірки. Можливо, один із об'єктів Чорна діра. Можливо, обидва були. Але тоді вони були б меншими чорними дірками, ніж будь-яка відома чорна дірка, і моделі утворення подвійних чорних дір довелося б знову будувати.

Занадто багато цих моделей та теорій, щоб до них адаптуватися. Чи, можливо, «гравітаційно-хвильова астрономія» почне адаптуватися до наукових суворостей старих областей космічних спостережень?

Занадто багато хибних спрацьовувань

Олександр Унзікер (2), німецький фізик-теоретик та шановний автор науково-популярних текстів, писав у лютому на сайті Medium, що, незважаючи на величезні очікування, детектори гравітаційних хвиль LIGO та VIRGO (3) за рік не показали нічого цікавого, крім для випадкових помилкових спрацьовувань. За словами вченого, це викликає серйозні сумніви у методі, що використовується.

З врученням Нобелівської премії з фізики у 2017 році Райнеру Вайсу, Баррі К. Берішу та Кіпу С. Торну питання про можливість виявлення гравітаційних хвиль, здавалося, було вирішено раз і назавжди. Рішення Нобелівського комітету стосується виявлення надзвичайно сильного сигналу GW150914 представлений на прес-конференції в лютому 2016 року, і вже згаданий сигнал GW170817, який був приписаний злиттю двох нейтронних зірок, оскільки два інших телескопи зафіксували сигнал, що сходить.

З того часу вони увійшли до офіційної наукової схеми фізики. Відкриття викликали захоплені відгуки, і очікувалася нова епоха в астрономії. Гравітаційні хвилі мали стати «новим вікном» у Всесвіт, поповнивши арсенал раніше відомих телескопів і призвівши до нових видів спостереження. Багато хто порівнював це відкриття з телескопом Галілея 1609 року. Ще захопленішим було підвищення чутливості детекторів гравітаційних хвиль. Надії на десятки вражаючих відкриттів та виявлень під час циклу спостереження O3, що розпочався у квітні 2019 року, були величезними. Однак поки що, зазначає Унцікер, у нас нічого немає.

Якщо бути точним, жоден із сигналів гравітаційних хвиль, зареєстрованих протягом останніх кількох місяців, не вдалося перевірити незалежно. Натомість була незрозуміла велика кількість помилкових спрацьовувань і сигналів, які потім були знижені. П'ятнадцять подій не пройшли перевірочного тесту з іншими телескопами. Крім того, з перевірки знято 19 сигналів.

Деякі з них спочатку вважалися дуже значущими - наприклад, GW191117j оцінювалася як подія з ймовірністю один у 28 мільярдів років, для GW190822c - одне в 5 мільярдів років, а для GW200108v - 1 в 100 XNUMX. роки. Враховуючи, що аналізований період спостереження не становив навіть цілого року, таких хибних спрацьовувань дуже багато. Можливо, щось не так із самим методом повідомлення про сигнали, коментує Унзікер.

Критерії віднесення сигналів до «помилок», на його думку, є непрозорими. Це не лише його думка. Відомий фізик-теоретик Сабіна Хоссенфельдер, яка раніше вказувала на недоліки в методах аналізу даних детектора LIGO, прокоментувала у своєму блозі: Це викликає у мене головний біль, хлопці. Якщо ви не знаєте, чому ваш детектор виявляє те, що здається вам не таким, як ви очікуєте, як ви можете довіряти йому, коли він бачить те, що ви очікуєте?

Інтерпретація помилок передбачає, що немає систематичної процедури відділення фактичних сигналів з інших, крім як у запобігання кричучих протиріч коїться з іншими спостереженнями. На жаль, цілих 53 випадки “кандидатних відкриттів” мають одну спільну рису – ніхто, крім того, що повідомляє, цього не помітив.

Засоби масової інформації схильні передчасно святкувати відкриття LIGO/VIRGO. Коли подальші аналізи та пошуки підтверджень зазнають невдачі, а так було вже кілька місяців, у ЗМІ немає більше ні ентузіазму, ні поправок. До цього менш ефективного етапу ЗМІ взагалі не виявляють жодного інтересу.

Тільки одне виявлення не викликає сумнівів

За словами Унцікера, якщо ми стежили за розвитком ситуації з гучного оголошення про відкриття у 2016 році, нинішні сумніви не повинні викликати здивування. Першу незалежну оцінку даних було проведено групою з Інституту Нільса Бора в Копенгагені під керівництвом Ендрю Д. Джексона. Їх аналіз даних виявив дивні кореляції в сигналах, що залишилися, походження яких досі неясно, незважаючи на заяви команди про те, що включені всі аномалії. Сигнали генеруються, коли необроблені дані (після великої попередньої обробки та фільтрації) порівнюються з так званими шаблонами, тобто теоретично очікуваними сигналами від чисельного моделювання гравітаційних хвиль.

Однак при аналізі даних така процедура доречна тільки тоді, коли встановлено існування сигналу і точно відома його форма. В іншому випадку аналіз шаблонів є інструментом, що вводить в оману. Джексон дуже ефектно представив це під час презентації, порівнявши процедуру автоматичного розпізнавання зображення автомобільних номерних знаків. Так, проблем з точним зчитуванням по розмитому зображенню немає, але тільки в тому випадку, якщо всі автомобілі мають номерні знаки точно визначеного розміру і стилю. Однак якби алгоритм застосовувався до зображень «в природі», він розпізнав би номерний знак по будь-якому яскравому об'єкту з чорними плямами. Це те, що, на думку Унзікер, може відбуватися з гравітаційними хвилями.

3. Мережа детекторів гравітаційних хвиль у світі

Були й інші сумніви щодо методології виявлення сигналу. У відповідь критику копенгагенська група розробила метод, використовує суто статистичні характеристики виявлення сигналів без використання шаблонів. При застосуванні в результатах ще чітко видно перший інцидент вересня 2015 року, але... поки що лише цей. Таку сильну гравітаційну хвилю можна назвати «удачею» незабаром після запуску першого детектора, але через п'ять років відсутність подальших підтверджених відкриттів починає викликати занепокоєння. Якщо протягом найближчих десяти років не буде статистично значущого сигналу, то чи буде перше виявлення GW150915 ще вважати реальним?

Хтось скаже, що це було пізніше виявлення GW170817тобто термоядерний сигнал подвійної нейтронної зірки, що узгоджується з приладовими спостереженнями в області гамма-променів та оптичними телескопами. На жаль, є багато невідповідностей: виявлення LIGO було виявлено лише за кілька годин після того, як інші телескопи відзначили сигнал.

Лабораторія VIRGO, запущена лише трьома днями раніше, не дала ніякого впізнаваного сигналу. Крім того, того ж дня стався збій мережі в LIGO/VIRGO та ESA. Були сумніви щодо сумісності сигналу зі злиттям нейтронних зірок, дуже слабкого оптичного сигналу і т. д. З іншого боку, багато вчених, які вивчають гравітаційні хвилі, стверджують, що інформація про напрямок, отримана LIGO, була набагато точнішою, ніж інформація двох інших телескопів і кажуть, що знахідка не могла бути випадковою.

Для Унзікера досить тривожним збігом є те, що дані як для GW150914, так і для GW170817, перших подій такого роду, відзначених на великих прес-конференціях, були отримані в «нештатних» обставинах і не могли бути відтворені в кращих технічних умовах. Вимірювання довгих серій.

Це призводить до таких новин, як передбачуваний вибух наднової (який виявився ілюзією), унікальне зіткнення нейтронних зірокце змушує вчених «переосмислити роки загальноприйнятих знань» або навіть чорну дірку масою 70 сонячних, яку команда LIGO назвала надто поспішним підтвердженням їхніх теорій.

Унзикер попереджає про ситуацію, коли гравітаційно-хвильова астрономія набуде ганебної репутації постачальника «невидимих» (інакше) астрономічних об'єктів. Щоб цього не сталося, він пропонує велику прозорість методів, публікацію шаблонів, стандартів аналізу та встановлення терміну придатності для подій, які не підтверджені незалежно.