[论文解读] 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 28

一句话总结

本文使用基于相关性的方法重新分析BICEP2、Keck Array和Planck数据，通过BICEP2与Keck B模式图之间的相关性重新评估噪声水平和张量标量比（r）。结果发现BICEP2的噪声功率是其原始报告估计值的两倍，导致r = 0.004 ± 0.04（最大似然r = 0），表明没有显著证据支持原初引力波的存在，尽管Starobinsky暴胀模型（r ≈ 0.0036）仍具可行性。该研究还将此类探测与暴胀因果视界处的引力霍金辐射联系起来。

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).

研究动机与目标

• 通过BICEP2与Keck Array B模式图之间的直接相关性分析，重新评估来自BICEP2和Keck Array数据的张量标量比r。
• 重新评估BICEP2图中原本被低估的噪声功率。
• 确定观测到的B模式信号是源于原初引力波还是前景尘埃污染。
• 探讨探测原初B模式的理论意义，特别是其与宇宙因果视界处霍金辐射的关联。
• 通过量化噪声和相关性，解决BICEP2与Keck之间r值的差异。

提出的方法

• 对BICEP2与Keck B模式图进行相关性研究，利用其测量的相关系数和振幅估算每张图中的噪声功率。
• 使用相关性方法重新计算BICEP2图中的噪声功率，发现其为BICEP2原始报告值的两倍。
• 使用E模式功率谱作为一致性检验，验证重新计算的噪声估计值。
• 在修正噪声和尘埃污染后，从B模式功率谱的振幅推导张量标量比r。
• 理论建模将观测到的引力波功率与暴胀因果视界处的吉布斯-霍金辐射机制联系起来。
• 分析使用Planck 353 GHz极化数据估算150 GHz处的尘埃污染，即BICEP2和Keck观测的频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 BICEP2的B模式信号主要源于原初引力波还是尘埃前景？
• RQ2 BICEP2图中的真实噪声功率是多少，它如何影响r的推断值？
• RQ3 为何BICEP2与Keck得出的r值存在差异，能否通过联合相关性分析解决？
• RQ4 探测到原初B模式极化是否也构成对暴胀视界处引力霍金辐射的探测？
• RQ5 在修正BICEP2中噪声被高估的问题后，r的最大似然值是多少？

主要发现

• BICEP2图中的噪声功率被发现是原始BICEP2团队报告值的两倍，这解释了其异常高的r估计值。
• 在修正该噪声高估后，BICEP2的重新计算张量标量比为r = 0.004 ± 0.04，最大似然值为r = 0。
• 对于Keck Array，重新分析得到r = -0.01 ± 0.04，当限制为非负值时与r = 0一致。
• 对BICEP2和Keck数据的联合分析，在修正噪声后，支持r = 0为最可能值，无显著证据表明存在原初引力波。
• 结果与Starobinsky暴胀模型一致，该模型预测r ≈ 0.0036，因此仍具可行性。
• 本文认为，探测到原初B模式也等同于探测到暴胀因果视界处的引力霍金辐射，将量子引力效应与CMB极化观测联系起来。