BICEP2 và PLANCK cùng truy tìm sóng hấp dẫn lạm phát

BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) là thí nghiệm đặt tại Nam cực thực hiện với kỳ vọng tìm sóng hấp dẫn nguyên thủy, PLANCK là dự án của ESA (European Space Agency) với thiết bị do hai tập đoàn của ESA và Đan Mạch cung cấp, có sự tham gia của NASA. Như chúng ta biết ngày 17/03/2014 Bicep2 đã thông báo về việc tìm thấy những tín hiệu đầu tiên của sóng hấp dẫn SHD (và lạm phát vũ trụ). Song những dữ liệu do Planck cung cấp cho ta thấy rằng kết quả của Bicep2 đã gây nên nghi vấn: liệu tín hiệu ghi đo bởi Bicep2 có thật sự thuộc về CMB (background) hay đó là thuộc bụi thiên hà nằm trên phông (foreground) tức là thuộc về những giai đoạn sau trong lịch sử vũ trụ .  

Những kết quả của Bicep2

Thời  kỳ lạm phát  gây ra hai loại nhiễu loạn quan trọng: vô hướng (mật độ) và tensor (SHD). Nhiễu loạn vô hướng được cảm ứng bởi các bất đồng nhất năng lượng mật độ. Những nhiễu loạn này quan trọng vì đó sẽ là mầm của các cấu trúc vũ trụ trong tương lai.

Những nhiễu loạn tensor ứng với SHD.

Phát hiện những tín hiệu của SHD là mục tiêu quan trọng nhất của vũ trụ học hiện đại, GS John Kovac (Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian), lãnh đạo BICEP2 đã phát biểu như vậy. SHD có phân cực kiểu B (B-mode).

Người ta phân biệt hai kiểu phân cực E và B (E-mode và B-mode) như ở hình 1. Chữ E ứng với kiểu điện trường, chữ B ứng với kiểu từ truờng. Chỉ có SHD mới có phân cực kiểu B (thấu kính hấp dẫn-gravitational lensing- cũng có thể tạo nên kiểu phân cực B và các nhà thực nghiệm có phương pháp để tách riêng hiện tượng này).

Hình 1.  Bản đồ phân cực kiểu E và B. Chỉ SHD mới cho ta phân cực kiểu B

Hình 2. Bản đồ phân cực kiểu B (B-mode) do BICEP2 ghi đo được

Nhìn một bản đồ phân cực ta sẽ thấy những đoạn thẳng trên bầu trời (hình 2). Phân cực kiểu B tạo nên những đoạn thẳng xoáy (curl) còn phân cực kiểu E chỉ tạo nên những đoạn thẳng không xoáy (grad).

Nhóm BICEP2 đã ghi đo được các dấu hiệu phân cực kiểu B của SHD (xem hình 2).

Tuy nhiên gần đây một số nhà vật lý  (https://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/) tỏ ý nghi ngờ rằng các dữ liệu do BICEP2 thu được có thể chưa phải là của bức xạ phông (Cosmic Microwave Background) từ lạm phát nguyên thủy mà chỉ là của bức xạ thiên hà gần đây hơn mà thôi (galactic foreground emission). Vì vậy các kết quả của Bicep2 đòi hỏi một thời gian nhất định cho quá trình kiểm nghiệm với độ chính xác cao hơn để chứng minh rằng kết quả thu được quả là sóng hấp dẫn từ lạm phát nguyên thủy.

Mặt khác nhóm Planck đã công bố dữ liệu chứng tỏ rằng kết quả của nhóm Bicep cần được kiểm  tra lại.

Những kết quả của nhóm Planck

Nhóm Planck đã đo phổ năng lượng góc của bụi phân cực E và B (polarized dust angular power spectra) CEEl và CBBl trong khoảng đa cực 40 <l<600.

Những phép đo này sẽ đem lại một cách nhìn mới đối với bụi trong thiên hà và cho phép xác định mức độ ô nhiễm bụi trong các thí nghiệm của Bicep2.

Nhóm Planck cũng xác định được tỷ số biên độ giữa phân cực kiểu B (B-mode) và  phân cực kiểu E (E-mode) CBBl /CEEl =0,5. Nhóm Planck cũng chứng tỏ rằng thậm chí trong những vùng ít ô nhiễm vì bụi thiên hà thì những cửa sổ sạch bụi cũng không tồn tại để chúng ta có thể thực hiện các phép đo CMB với kiểu phân cực B mà không cần loại bỏ những bức xạ phụ.
Phép ngoại suy của Planck từ 353 GHz xuống 150 GHz cho chúng ta năng lượng bụi (dust power) DBBl = l(l+1)CBBl / (2π) khoảng 1,32 x 10-2 µK2CMB.

Mức độ này tương đương với biên độ theo dữ liệu của Bicep2. Như thế cần phải làm sáng tỏ mức độ tín hiệu bụi phân cực ngay cả trong vùng được coi là sạch trên bầu trời.

Bản đồ bụi thiên hà

Trên hình 3, bên trái là bán cầu Bắc của Thiên hà bên phải là bán cầu Nam. Hình thang có biên giới viền đen phía bán cầu nam là vùng nghiên cứu của Bicep2. Các màu mô tả độ nhiễm bẩn vì bụi thiên hà.

Hình 3.  Bản đồ bụi thiên hà trên bầu trời theo Planck.

Các dữ liệu của nhóm Planck chứng tỏ rằng vùng trời quan sát bởi Bicep2 chứa nhiều bụi hơn dự đoán ban đầu. Các phân cực kiểu B (B-mode) quan sát được bởi Bicep2 có thể đó là một vùng nhiễm bẩn định xứ (local) hơn là dấu vết lưu lại từ thời lạm phát. Tuy dữ liệu mới của Planck không loại trừ hoàn toàn các kết quả của Bicep2 song đã chứng tỏ rằng bức xạ bụi (dust emission) có thể rất lớn trong các tín hiệu của Bicep2.

Những tín hiệu do Bicep2 ghi đo được có thể cấu tạo bởi những bức xạ mà chúng ta có thể nhầm với bức xạ các photon CMB (Cosmic Microwave Background) vì các bức xạ này cũng phát sinh từ kỷ tái hợp (epoch of recombination), khi mà các nguyên tử trung hòa được hình thành và sự phân chia vật chất với bức xạ đã cho phép các photon du hành tự do trong vũ trụ.  
Khi nghiên cứu CMB các nhà khoa học phải chú ý đến hai nguồn bức xạ điện từ quan trọng trong thiên hà của chúng ta – đó là bức xạ synchrotron từ những electron chuyển động trong từ trường của thiên hà và bức xạ phân cực từ bụi (polarized emission from dust).

So sánh kết quả của Bicep2 với các dữ liệu của Planck

Như trên đã nói ngoại suy của nhóm Planck từ dữ liệu 353 GHz đến 150 GHz cho chúng ta năng lượng bụi (dust power) DBBl = l(l+1)CBBl / (2π) khoảng  1,32x 10-2 µK2CMB  (hình 4).
Trên hình 4 những hình chữ nhật là dữ liệu của nhóm Planck do bụi tạo nên. Đường cong đen là dự đoán lý thuyết theo mô hình Lambda-CDM dựa trên dữ liệu của Bicep2. Như vậy ta thấy có sự trùng nhau gần như tuyệt đối giữa Bicep2 và Planck. Điều đó có nghĩa là tín hiệu của Bicep2 có lẽ là từ bụi thiên hà chứ không phải từ lạm phát nguyên thủy.

Hình 4.  Sự trùng hợp gần tuyệt đối giữa các quan sát của Bicep2 với dữ liệu bụi của nhóm Planck.

Mặc dầu nhóm Bicep2 đã phát biểu rằng họ đã loại trừ các bức xạ synchrotron và bụi, song các đánh giá của Bicep2 về bụi là quá thấp. Ngoài ra Bicep2 chỉ thực hiện các ghi đo ở tần số 150 GHz.

Neil Turok (Viện Vật lý lý thuyết Perimeter, Canada) cho rằng như thế bản thân thí nghiệm Bicep2 cũng đã là hạn chế vì chỉ xét một tần số. Bicep2 không thể kiểm nghiệm xem các tín hiệu của họ có thể xảy ra ở các tần số khác hay không? Đây là một điều cần thiết phải có nếu đó quả là một hệ quả vũ trụ.

Peter Coles (Đại học Sussex) cho rằng bức xạ từ bụi thiên hà có thể có ý nghĩa nhiều hơn các nhà thiên văn nghĩ.

Subir Sarkar (Đại học Oxford) cũng cho rằng bức xạ từ bụi nhiễm từ trong những cấu trúc định xứ có thể gây nên những tín hiệu mà Bicep2 ghi đo được. Sarkar cho rằng chính bức xạ này là bức xạ trên phông (foreground) ở tần số vi sóng đã bị đoán nhầm bởi Bicep2 là tín hiệu B-mode của hấp dẫn nguyên thủy.

Các dữ liệu của nhóm Planck cũng chứng tỏ rằng tồn tại một bức xạ như thế trong Ngân hà.

Kết luận

Nhiều nhà thiên văn học tin rằng một nghiên cứu chéo giữa Bicep2 và Planck có thể dẫn đến một kết luận cuối cùng về hấp dẫn lạm phát. Kế hoạch hợp tác đã manh nha từ tháng 7/2014. Các nhà vật lý thiên văn hoan nghênh sự cộng tác vừa được hình thành giữa hai nhóm trên để cùng hóa giải vấn đề trong tương lai (có thể kéo dài từ ba đến năm năm).

Sự kết hợp giữa Bicep2 và Planck sẽ lợi dụng được ưu thế về tần số và dữ liệu về bụi toàn bầu trời của Planck với khả năng có độ nhạy cảm lớn các thiết bị của Bicep2. Thế giới thiên văn mong đợi kết quả từ sự hợp tác này giữa Bicep2 và Planck. Hiện nay vấn đề sóng hấp dẫn từ lạm phát đang còn bị bỏ ngỏ.1
         —————–  
Tài liệu tham khảo:                                                                           
[1]  BICEP 2 : DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES, nhiều tác giả  nhóm Bicep2
[2] Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes, nhiều tác giả nhóm Planck [astro-ph.CO] 19 Sept 2014
[3] Planck Speaks: Bad News for Primordial Gravitational Waves? Posted on September 21, 2014 by Sean Carroll
[4] Full-galaxy dust map muddles search for gravitational waves

Ron Cowen NATURE | BREAKING NEWS, 22 September 2014

Tác giả