[論文レビュー] Reanalysis of the BICEP2, Keck and Planck Data: No Evidence for Gravitational Radiation

J. Richard Gott, Wesley N. Colley|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、BICEP2とKeck ArrayのBモードマップ間の相関に基づく手法を用いて、BICEP2、Keck Array、Planckのデータを再分析し、ノイズレベルとテンソルスケーリング比（r）を再評価する。BICEP2のノイズパワーは、公表された推定値の2倍であることが判明し、r = 0.004 ± 0.04（最尤推定r = 0）となる。これは、初期宇宙の重力波の有意な証拠がないことを示唆するが、Starobinskyインフレーション（r ≈ 0.0036）は依然として妥当である。本研究では、このような検出がインフレーション時の因果的ホライズンからの重力的Hawking放射に関連することを示唆している。

ABSTRACT

A joint analysis of data collected by the Planck and BICEP2+Keck teams has previously given $r = 0.09^{+0.06}_{-0.04}$ for BICEP2 and $r = 0.02^{+0.04}_{-0.02}$ for Keck. Analyzing BICEP2 using its published noise estimate, we had earlier (Colley & Gott 2015) found $r = 0.09 \pm 0.04$, agreeing with the final joint results for BICEP2. With the Keck data now available, we have done something the joint analysis did not: a correlation study of the BICEP2 vs. Keck B-mode maps. Knowing the correlation coefficient between the two and their amplitudes allows us to determine the noise in each map (which we check using the E-modes). We find the noise power in the BICEP2 map to be twice the original BICEP2 published estimate, explaining the anomalously high $r$ value obtained by BICEP2. We now find $r = 0.004 \pm 0.04$ for BICEP2 and $r = -0.01 \pm 0.04$ for Keck. Since $r \ge 0$ by definition, this implies a maximum likelihood value of $r = 0$, or no evidence for gravitational waves. Starobinsky Inflation ($r = 0.0036$) is not ruled out, however. Krauss & Wilzcek (2014) have already argued that "measurement of polarization of the CMB due to a long-wavelength stochastic background of gravitational waves from Inflation in the early Universe would firmly establish the quantization of gravity," and, therefore, the existence of gravitons. We argue it would also constitute a detection of gravitational Hawking radiation (explicitly from the causal horizons due to Inflation).

研究の動機と目的

• BICEP2とKeck Arrayのデータからテンソルスケーリング比rを再評価すること。そのために、2つのBモードマップ間の直接的な相関分析を実施する。
• BICEP2マップのノイズパワーを再評価すること。これは、従来の解析で低く見積もられていた。
• 観測されたBモード信号が、初期宇宙の重力波によるものか、あるいは銀河団のダスト汚染によるものかを特定すること。
• 初期宇宙Bモードの検出が持つ理論的意味、特に宇宙論的因果的ホライズンからのHawking放射との関連を検討すること。
• BICEP2が得たrの高い値と、Keckが得た低い値の間の矛盾を、ノイズと相関を定量的に評価することで解消すること。

提案手法

• BICEP2とKeckのBモードマップ間の相関を分析し、測定された相関係数と振幅を用いて、それぞれのマップにおけるノイズパワーを推定する。
• 相関法を用いてBICEP2マップのノイズパワーを再計算した結果、元のBICEP2が公表した値の2倍であることが判明した。
• 再計算されたノイズ推定値の妥当性を検証するため、Eモードパワー スペクトルを一貫性のチェックに用いる。
• ノイズとダスト汚染を補正した後、Bモードパワー スペクトルの振幅からテンソルスケーリング比rを導出する。
• 理論的モデルは、観測された重力波パワーがインフレーション時の因果的ホライズンからのGibbons-Hawking放射機構に起因することを結びつける。
• BICEP2とKeckが観測した150 GHzにおけるダスト汚染を推定するために、Planckの353 GHz偏光データを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BICEP2のBモード信号は、主に初期宇宙の重力波によるものか、ダストの前景によるものか？
• RQ2 BICEP2マップにおける真のノイズパワーは何か？ そして、これはrの推定値にどのように影響を与えるか？
• RQ3 なぜBICEP2とKeckはrの値に相違を示すのか？ これを共同相関解析によって解消できるか？
• RQ4 初期宇宙Bモード偏光の検出は、インフレーションホライズンからの重力的Hawking放射の検出を意味するのか？
• RQ5 BICEP2のノイズが過大評価されていたことを補正した後、rの最尤推定値は何か？

主な発見

• BICEP2マップのノイズパワーは、元のBICEP2チームが公表した値の2倍であることが判明し、これはrの異常に高い推定値を説明する。
• このノイズの過大評価を補正した後、BICEP2の再計算されたテンソルスケーリング比はr = 0.004 ± 0.04となり、最尤推定値はr = 0である。
• Keck Arrayの再分析では、r = -0.01 ± 0.04が得られ、非負の値に制約を加えた場合、r = 0と整合的である。
• BICEP2とKeckデータの共同解析により、ノイズ補正が行われた後、r = 0が最も可能性の高い値であることが支持され、初期宇宙の重力波の有意な証拠はない。
• 結果は、r ≈ 0.0036を予測するStarobinskyインフレーションと整合しており、したがって依然として妥当である。
• 本論文は、初期宇宙Bモードの検出が、インフレーション時の因果的ホライズンからの重力的Hawking放射の検出をも意味することを主張し、量子重力効果とCMB偏光の観測を結びつける。