BICEP2-Messungen: Der Vorhang vor der Kosmologie

Knapp zwei Monate ist es her, seit das BICEP2-Team seine potenziell spektakulären Messungen vermeldete, die erste direkte Spuren einer frühen Inflationsphase unseres Universums sein könnten, übertragen durch Gravitationswellen, die ihrerseits Spuren in der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen haben, dem „optischen Nachhall“ der frühen, heißen Urknallphase. Ich hatte über die Hintergründe in diesem Beitrag hier bereits ausführlich geschrieben, allerdings auch bald nachgeschoben, was an Kritik kam – zum einen Online, zum anderen in einem Vortrag des Kosmologen Matthias Bartelmann am Max-Planck-Institut für Astronomie.

Dabei war schon klar geworden, dass eines der Probleme der sogenannte Vordergrund war, sprich: Prozesse in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, die ein Signal wie jenes der Gravitationswellenspuren vortäuschen können.

So lebhaft die Online-Diskussion z.B. in Blogs und auf Facebook war: Eine genauere Auswertung braucht doch etwas mehr Zeit – mehr Daten, mehr Analyse. Diese Zeitskala scheinen wir jetzt erreicht zu haben; jüngst sind jetzt auf dem Online-Service arXiv zwei Beiträge erschienen, die sich genau des Problems des Vordergrundes annehmen:

Vor einer Woche A joint analysis of Planck and BICEP2 B modes including dust polarization uncertainty von Michael Mortonson und Uroš Seljak vom Lawrence Berkeley-Laboratorium, und heute Toward an Understanding of Foreground Emission in the BICEP2 Region von Raphael Flauger, Colin Hill und David Spergel aus Princeton – insbesondere Spergel ein Schwergewicht, der schon bei der WMAP-Mission zur Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung maßgeblich dabei war, als es um die Extrahierung der Eigenschaften unseres Kosmos aus den Hintergrundsstrahlungs-Messungen des Weltraumteleskops ging.

Auch die neuen Analysen haben daran zu knabbern, dass die besten Messungen des entsprechenden Vordergrundes noch nicht vorliegen – die hat der Planck-Satellite vorgenommen, und die entsprechenden Daten sollen voraussichtlich im Oktober veröffentlicht werden.

Anfang Mai hatte das Planck-Team zumindest einige neue Daten veröffentlicht, ebenfalls auf dem arXiv, nämlich Planck intermediate results. XIX. An overview of the polarized thermal emission from Galactic dust. Aber diejenige südpolnahe Himmelsregion, auf die das BICEP2 für seine Messungen gerichtet hatte, ist bei dieser Veröffentlichung nicht mit abgedeckt.

Immerhin liefern die neuen Planck-Ergebnisse neues Material für Interpolationen, und damit für Abschätzungen des Vordergrund-Einflusses insbesondere des Staubs innerhalb der Milchstraße.

Das haben Flauber und Kollegen gleich auf mehrere verschiedene Weisen gemacht – mit den neuen Planck-Daten, mit den älteren Planck-Daten, die schon dem BICEP2-Team bei seiner Veröffentlichung zur Verfügung standen, und mit verschiedenen Interpolationsverfahren (z.B. mit einem aus den Planck-Daten abgeleiteten Zusammenhang zwischen Wasserstoffatom-Häufigkeit und Staub-Polarisationssignal, anhand derer dann aufgrund der in der BICEP2-Region gemessenen Wasserstoffatom-Häufigkeit auf das Staub-Signal geschlossen wurde). Deren Schluss: die BICEP1- und BICEP2-Messungen für sich genommen können nicht zwischen einem Gravitationssignal und einem Staubsignal unterscheiden. In einem Newsbeitrag in Nature wird Spergel mit einer noch schärfer formulierten Aussage zitiert: kein Nachweis von Gravitationswellen, „there’s no evidence for the detection of gravitational waves“.

Mortonson und Seljak haben etwas eingeschränkter neu analysiert, nämlich die Art und Weise, wie die verschiedenen Signalbeiträge – Gravitationswellen, Staub, und der Effekt von Gravitationslinsen – sich verändern, wenn man unterschiedliche Winkelskalen betrachtet. Außerdem haben sie den Zusammenhang der Messungen von BICEP1 und BICEP2 bei unterschiedlichen Frequenzen hinzugezogen (Staub- und Gravitationswellensignal  sollten jeweils anders davon abhängen, bei welcher Frequenz man schaut). Auch damit kommen sie zu dem Schluss, dass die BICEP2-Messungen keinen deutlichen Nachweis der Gravitationswellen darstellen (und weisen zudem darauf hin, wo die Grenzen des Nutzens der sehnlichst erwarteten neuen Planck-Daten liegen – und dass diese bei höheren Kalibrationsunsicherheiten als erwartet keine große Verbesserung der Datenlage bedeuten).

Die Kommentare des BICEP2-Teams sind trotz dieser Einwände nach wie vor selbstbewusst; man steht zu den Resultaten, wie der erwähnte Nature-Newsbeitrag wiedergibt. Dabei dürfte noch mehr mitspielen als die Argumente und Re-Analysen. Das BICEP2-Team betreibt schließlich auch den Nachfolger von BICEP2, nämlich das Keck Array, das ebenfalls am Südpol fleißig am messen ist. Das Keck Array misst unter anderem bei einer anderen Frequenz als BICEP2, und auch aus solchen Vergleichen lässt sich schließen, welcher Anteil des Signals auf Gravitationswellen und welcher auf einen Staub-Vordergrund zurückgeht. Sehr gut möglich also, dass den BICEP2-Leuten der jetzige Gegenwind nicht so wichtig ist, weil sie bereits wissen, dass die noch unveröffentlichten Keck Array-Messungen ihre Interpretation bestätigen.

Es bleibt jedenfalls spannend. Abwarten heißt die Devise: entweder auf die Daten von Planck im Oktober, die dann ja wohl bereits mit einer detaillierten BICEP2-bezogenen Auswertung geliefert werden dürften, oder, falls das schneller gehen sollte, auf Ergebnisse des Keck Array (oder vielleicht ja auch eines der ähnlichen Beobachtungsprojekte, die noch so laufen und die wahrscheinlich auch in den letzten Monaten geschaut haben werden, ob ihre Ergebnisse zur Klärung der offenen Fragen beitragen können).

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online [http://www.einstein-online.info]. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie [http://www.haus-der-astronomie.de] leitet, ein neues Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

3 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Vermessung des Milchstrassenstaubs mit PANSTARRS
    Eine 3D-Karte des Milchstrassenstaubs wie sie vom PANSTARRS-Team aufgebaut wird könnte dem BICEP2-Team vielleicht dabei helfen, Vordergrundseffekte bei ihren (angeblichen) B-Mode-Polarisationsmessungen des Mikrowellenhintergrunds auszuschliessen.

    Vermessung des Milchstrassenstaubs mit WISE
    Auch die Daten des Wide-field Infrared Survey Explorers, welcher den gesamten Himmel im Bereich 3.4, 4.6, 12 und 22 mm Wellenlänge kartierte, könnte nützlich sein.

    Vermessung des Milchstrassenstaubs mit GAIA
    Schliesslich werden es auch die Daten von GAIA erlauben, eine 3D-Karte des Milchstrassenstaubs anzulegen. In einer ESA-Publikation zu GAIA liest man

    The combination of GAIA parallaxes with GAIA
    photometry over a large part of the visual
    spectrum will provide a database of
    unprecedented size and accuracy with which
    to investigate the distribution of interstellar
    matter. The dust embedded in the gas causes
    extinction of starlight, both in terms of dimming, and as a colour change.

    Diese Methode der Staub- und Gasbestimmung wurde bereits vom Hipparcos-Auswerteteam erfolgreich angewendet.

  2. Die BICEP2-Messdaten könnten ebensogut mit Staub oder anderen Vordergrundeffekten erklärt werden – und nicht nur als in der kosmischen Hintergrundsstrahlung verborgene „digitale Wasserzeichen“, die von primordialen Gravitationswellen stammen.
    Im arxiv-Artikel Toward an Understanding of Foreground Emission in the Bicep2 Region (erstellt von einem Team von Princeton-Forschern) liest man

    We reanalyze the Bicep2 results and show that the 100×150 GHz and 150×150 GHz data are consistent with a cosmology with r= 0.2 [ r is the scalar-tensor ratio] and negligible foregrounds, but also with a cosmology with r= 0 and a signi cant dust polarization signal.
    ….
    These results suggest that Bicep1 and Bicep2 data alone cannot distinguish between foregrounds and a primordial gravitational wave signal, and that future Keck Array observations at 100 GHz and
    Planck observations at higher frequencies will be crucial to determine whether the signal is of primordial origin

    In der Tat ist der galaktische Vordergrund noch wenig bekannt. BICEP2 wurde auf eine Stelle im Himmel gerichtet, wo es wenig Staub haben soll:

    Brevik explained that the width of the beam from the telescope is inverse to the size of the telescope’s aperture. “We’re very small on the ground, but we actually have very big beams on the sky,” he said.

    Those beams are trained on the CMB, through a spot in the Southern Hemisphere called the Southern Hole, a “clean” patch in the night sky that has low emissions of polarized dust that could hamper measurements.

    Wie steht es um die grundsätzlichen Möglichkeiten, die kosmische Inflation zu Beginn des Universums nachzuweisen. Einfach Inflationsmodelle ordnen der Inflation ein Leistungsspektrum zu, welches durch 3 prinzipiell in der Hintergrundsstrahlung beobachtbare Parameter bestimmt ist:

    So any simple inflation model gives us three independent parameters to describe the primordial power spectrum: the amplitude of scalar fluctuations AS, the tensor/scalar ratio r, and the scalar spectral index n. The important point is that these are observable parameters, and will allow us to make contact between the physics of very high energies and the world of observational cosmology, in particular the cosmic microwave background.

    Mein Fazit: Weitermachen. Die Chancen stehen gut, dass man früher oder später den Abdruck der Inflation in der kosmischen Hintergrundsstrahlung wird nachweisen können – oder aber, dass man solche einen Abdruck nicht findet, was einfache Inflationsmodelle in Frage stellen würde.

    Anderer Meinung was die Entscheibarkeit der Inflation mittels Beobachtungen betrifft ist Paul Steinhardt, der Inflationsmodellen einen ähnlichen „flexiblen“ Charakter zuschreibt wie Stringtheoriemodellen womit dann fast alles möglich ist, vorausgesetzt man setzt die Parameter „richtig“. Hier in seinen Worten:

    the inflationary paradigm is so flexible that it is immune to experimental and observational tests. First, inflation is driven by a hypothetical scalar field, the inflaton, which has properties that can be adjusted to produce effectively any outcome. Second, inflation does not end with a universe with uniform properties, but almost inevitably leads to a multiverse with an infinite number of bubbles, in which the cosmic and physical properties vary from bubble to bubble. The part of the multiverse that we observe corresponds to a piece of just one such bubble. Scanning over all possible bubbles in the multi­verse, every­thing that can physically happen does happen an infinite number of times. No experiment can rule out a theory that allows for all possible outcomes. Hence, the paradigm of inflation is unfalsifiable.

    Nach Steinberg müssten wir also Glück haben um in unserem Bereich des Universums Spuren der Inflation zu finden. Wenn wir keine finden, kann es sie trotzdem gegeben haben – oder immer noch geben.

    • Sorry, aber liest du überhaupt die Blogartikel, die du kommentierst?

      Dein Einleitungssatz ist eine der Hauptaussagen meines Blogartikels, und der Artikel „Toward an Understanding of Foreground Emission in the Bicep2 Region“, den du da einführst, als sei er etwas Neues, ist einer der beiden Artikel, die den Anlass für meinen Blogbeitrag geliefert haben – entsprechend ist er ja auch zitiert und verlinkt.