Xác Nhận! Nhà Khoa Học Thực Sự Đã Nhìn Thấy Sóng Hấp Dẫn (Có Lẽ)

Sau thông báo lịch sử vào tháng 2 năm 2016 về khám phá sóng hấp dẫn, không mất lâu đã có những người nghi ngờ nổi lên.

Việc phát hiện những dao động yếu ớt trong không gian và thời gian bởi Trạm Quan Sát Sóng Hấp Dẫn Bằng Lazer (LIGO) được cho là đã mở ra một tai mới về vũ trụ. Nhưng vào năm tiếp theo, một nhóm nhà vật lý tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen đã công bố một bài báo nghi ngờ về phân tích của LIGO. Họ tập trung chỉ trích vào tín hiệu đầu tiên nổi tiếng của thí nghiệm, một đường gập cong—đại diện cho va chạm của những lỗ đen khổng lồ cách đó hơn một tỷ năm ánh sáng—được in trong các tờ báo trên toàn thế giới và xăm trổ trên cơ thể.

Ngay cả khi LIGO cảm nhận được nhiều tín hiệu sóng hấp dẫn và các nhà sáng lập nhận giải Nobel, nhóm nghiên cứu ở Copenhagen, do giáo sư hưu trí Andrew Jackson làm trưởng nhóm, cho rằng họ đã tìm thấy sự tương quan không giải thích được trong “nhiễu loạn” được thu thập bởi bộ dò song song của LIGO. Các bộ dò này—các công cụ hình chữ L có các cánh trải rộng và co bóp xen kẽ khi sóng hấp dẫn đi qua—được đặt xa nhau ở Livingston, Louisiana và Hanford, Washington, để đảm bảo rằng chỉ có sóng hấp dẫn từ không gian mới có thể làm đung đưa cả hai công cụ theo cách đúng để tạo ra tín hiệu đặc trưng. Nhưng theo Jackson và nhóm của ông, sự tương quan trong dữ liệu nhiễu loạn ngụ ý rằng LIGO có thể đã không phát hiện sóng hấp dẫn mà là một cảm biến địa chấn nào đó, có thể là động đất. Họ cho rằng, ít nhất là, có điều gì đó không đúng với các công cụ hoặc với phân tích của các nhà khoa học LIGO.

Các kết quả làm lo ngại. Nhà khoa học của LIGO kiểm tra lại công việc của họ, và một nhóm chuyên gia đã đến Viện Niels Bohr năm ngoái để đàm phán về chi tiết của thuật toán của Jackson và đồng nghiệp.

Bây giờ cả hai nhóm đều đã hoàn thành nghiên cứu của họ. Các bài báo mới giải thích các khía cạnh khác nhau của vấn đề dẫn Jackson và các tác giả khác đưa ra quan điểm của họ. Cả hai phân tích đều kết luận một cách rõ ràng rằng quan điểm của họ là sai: Không có sự tương quan không giải thích được nào trong nhiễu loạn của LIGO.

“Chúng tôi không thấy lý do nào để giữ những nghi ngờ về khám phá sóng hấp dẫn,” các tác giả của một trong những bài báo, các nhà vật lý Martin Green và John Moffat của Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter, nói trong một email.

Cặp đôi này không có liên kết trực tiếp với LIGO. “Đối với khoa học, quan trọng là mọi người phải phân tích dữ liệu và kết quả một cách độc lập với nhóm nghiên cứu,” Moffat nói, “đặc biệt là đối với một sự kiện lịch sử trong lịch sử vật lý.”

Frans Pretorius, một chuyên gia sóng hấp dẫn tại Đại học Princeton, người không tham gia vào bất kỳ nghiên cứu gần đây nào, nói rằng trong hơn một năm qua, anh và hầu hết cộng đồng vật lý đã hài lòng rằng phân tích của LIGO và khám phá của nó là đúng. Tuy nhiên, anh nói, “quả quýt quan trọng là cuối cùng có một phân tích kỹ lưỡng dưới dạng một bài báo,” thay vì “truyền thông ngược lại.”

Người phát ngôn của Liên minh Nghiên cứu Khoa học LIGO, David Shoemaker của Viện Công nghệ Massachusetts, nói qua email rằng các phát hiện mới làm chứng minh các cuộc thảo luận nội bộ trong nhóm. “Việc thấy những cuộc phân tích lại không phải của Liên minh thật sự làm tăng sự chắc chắn của tôi rằng các phát hiện [về sóng hấp dẫn] là đích thực,” Shoemaker nói, “và cũng là một sự củng cố cho nhận thức trước đây của chúng tôi về nơi có vấn đề của bài báo của Jackson và đồng nghiệp.”

Trong một email, Jackson gọi bài báo của Green và Moffat, được xuất bản trong Physics Letters B vào tháng 9, là “tuyệt đối là rác rưởi.” Khi được yêu cầu giải thích thêm, anh có vẻ mô tả sai đối lập và không đối mặt với những vấn đề quan trọng nhất mà họ đưa ra về công việc của nhóm anh. Jackson cũng bác bỏ bộ phận thứ hai của những phát hiện của Alex Nielsen thuộc Viện Vật lý Nặng Max Planck tại Hannover, Đức, và ba tác giả khác, bài báo của họ xuất hiện trên trang arxiv.org vào tháng 11 và đang được đánh giá bởi Tạp chí Vũ trụ và Vật lý hạt. “Chúng tôi đang viết một phản hồi cho bài báo mới nhất này,” Jackson viết, vì vậy “tôi sẽ không giải thích nơi họ (một lần nữa) đã mắc sai lầm của họ.”

“Nhóm Copenhagen từ chối chấp nhận rằng họ có thể sai,” Moffat nói. “Thực tế, họ đã sai.”

Các chuyên gia cho biết vấn đề xuất phát từ sự kết hợp của nhiều sai lầm: một số do các nhà vật lý ở Copenhagen, và một sai lầm của LIGO.

Để giúp phân biệt được sóng hấp dẫn nhỏ bé của một làn sóng từ xa từ nhiễu nền, thuật toán của LIGO liên tục so sánh độ dài của các cánh của cảm biến sinh đôi, những cánh dao động khi bị kích thích bởi sóng hấp dẫn đi qua hoặc tiếng ồn nền, với “định dạng sóng mẫu” — các tín hiệu có thể từ sóng hấp dẫn được tính từ lý thuyết tổng quát của Einstein về tương đối. Khi có sự tương đồng lớn giữa một tín hiệu được phát hiện ở Hanford và một tín hiệu cảm nhận ngay trước hoặc sau đó ở Livingston và cũng phù hợp với một định dạng sóng mẫu, những cảnh báo qua email lan tỏa trên toàn thế giới.

Sau đó, các nhà khoa học xác định cẩn thận định dạng sóng hấp dẫn “fit nhất” mà phù hợp nhất với tín hiệu ở cả hai cảm biến. Khi định dạng sóng này được trừ đi từ mỗi tín hiệu, điều này để lại “dư thừa nhiễu” — những dao động nhỏ còn lại trong các cảm biến mà nên là không tương quan, vì các thiết bị cách nhau khoảng 2.000 dặm.

Trong bài báo năm 2017 của họ, nhóm Copenhagen tuyên bố đã phát hiện ra rằng tiếng ồn ở Livingston khớp với tiếng ồn ở Hanford sau bảy mili giây, ngay khi tín hiệu đầu tiên của sóng hấp dẫn đến cả hai cảm biến. Họ giải thích điều này là LIGO hoặc không tách sạch được tín hiệu của họ khỏi tiếng ồn, hoặc có sự tương quan trong tiếng ồn vào đúng thời điểm đúng làm cho toàn bộ tín hiệu.

Tuy nhiên, Green và Moffat đã xác định một loạt các sai sót trong việc xử lý dữ liệu của nhóm Copenhagen mà họ nói rằng đã kết hợp để tạo ra một sự tương quan thực sự không có.

Để tìm kiếm sự tương quan trong các dư thừa, Jackson và đồng nghiệp đã chọn một đoạn dữ liệu Livingston 20 mili giây và trượt các đoạn dữ liệu Hanford 20 mili giây qua nó, đăng ký sự tương quan mỗi khi đỉnh trùng với đỉnh và thung lũng với thung lũng. Họ phát hiện ra rằng có sự tương quan mạnh mẽ khi dữ liệu bị lệch đi bảy mili giây. Nhưng Green và Moffat chú ý rằng khi họ lấy mã của Jackson và đồng nghiệp và đảo ngược thủ tục, sửa chữa dữ liệu tiếng ồn Hanford và trượt các đoạn dữ liệu Livingston qua nó, sự tương quan ở độ lệch bảy mili giây biến mất. “Điều này là một tín hiệu đỏ lớn vì nó nói, OK, bạn không có một phương pháp tính toán mạnh mẽ,” Green nói, một chuyên gia về xử lý tín hiệu số. Thay vào đó, độ dài của các đoạn dữ liệu và sự xử lý không đối xứng của chúng được “điều chỉnh để có được tín hiệu tương quan ở bất kỳ độ lệch thời gian mong muốn nào,” ông nói.

Trong một phép tính khác, Jackson và đội của anh dường như đã tìm ra các mẫu không ngẫu nhiên, tương quan trong các hồ sơ tiếng ồn ở cả hai cảm biến. Nhưng Green và Moffat suy luận rằng các nhà vật lý ở Copenhagen không đã “làm cửa sổ” cho hai bộ dữ liệu tiếng ồn. Cửa sổ là một kỹ thuật tiêu chuẩn để điều chỉnh một tín hiệu về không ở đầu và cuối một đoạn dữ liệu trước khi thực hiện một phép toán toán học gọi là “biến đổi Fourier” giúp so sánh với các dữ liệu khác. Biến đổi Fourier xem xét một đoạn dữ liệu như là có tính chu kỳ, lặp lại bắt đầu và kết thúc. Nếu đoạn không được làm cửa sổ, những thay đổi đột ngột ở các điểm cuối gọi là “độ méo lệch biên” có thể kết thúc giống như là sự tương quan khi so sánh với bộ dữ liệu thứ hai.

Khi Green và Moffat làm cửa sổ cho hai bộ dữ liệu tiếng ồn, các sự tương quan được tuyên bố biến mất. “Lo ngại của chúng tôi là phép tính được thực hiện bởi nhóm Copenhagen đã được sắp đặt để có được kết quả mà họ muốn có,” Green nói.

Nielsen và các tác giả khác — Alexander Nitz, Collin Capano và Duncan Brown — cũng kết luận rằng sự tương quan được tuyên bố trong tiếng ồn không có thực, nhưng họ nói rằng lỗi này có thể được quy cho một phần ít nhất là do sai lầm của LIGO khi cung cấp dữ liệu sai trong hình vẽ đầu tiên của bài báo phát hiện năm 2016 của họ trong Physical Review Letters.

Hình 1 là “điều mọi người đã xăm trên cánh tay,” Brown nói, một nhà thiên văn sóng hấp dẫn tại Đại học Syracuse và một cựu thành viên của LIGO, rời khỏi sự hợp tác năm nay để theo đuổi phân tích độc lập về dữ liệu.

Bảng điều khiển trên cùng của hình này hiển thị các đường zigzag đặt cạnh nhau đại diện cho tín hiệu sóng hấp dẫn được phát hiện ở Livingston và Hanford. Dưới đó là các dạng sóng mẫu khớp chặt với các tín hiệu và, ở bảng điều khiển dưới cùng, các đường nét đứt đoạn đại diện cho “dư thừa tiếng ồn” ở cả hai cảm biến, sau khi dạng sóng mẫu đã được trừ từ mỗi bộ dữ liệu.

Brown giải thích rằng mã của Jackson, mà ông kiểm tra kỹ lưỡng trong một chuyến thăm Copenhagen năm ngoái, phát hiện ra một sự chồng chéo trong dư thừa ở độ lệch bảy mili giây với một lý do tầm thường: Dạng sóng mẫu được hiển thị trong Hình 1 không phải là dạng sóng mẫu “phù hợp nhất” mà LIGO thực sự đã sử dụng trong phân tích chặt chẽ của mình. Hình này được tạo ra với mục đích minh họa, Brown và những người khác giải thích. Người tạo hình đã khớp một dạng sóng mẫu với cặp tín hiệu bằng mắt, thay vì sử dụng tín hiệu phù hợp nhất được xác định bằng các phép tính cẩn thận. Những không hoàn hảo nhỏ trong dạng sóng bị trừ còn lại một số tín hiệu sóng hấp dẫn trong cả hai bộ dữ liệu mà không bị trừ đi, và nó đã được trộn với tiếng ồn ở dưới Hình 1 — tạo ra các sự tương quan mà mã của Jackson và đồng nghiệp có thể phân giải. “Những gì họ phát hiện là một sự trừ tốt bản chất của dạng sóng” Brown nói. “Khi chúng tôi trừ một dạng sóng tốt hơn so với dạng sóng được sử dụng trong bài báo PRL, chúng tôi không tìm thấy dư thừa động học có ý nghĩa thống kê.”

“Nếu LIGO có làm sai điều gì,” ông thêm, “đó là họ không làm rõ ràng những phần của hình ảnh đó chỉ mang tính minh họa và khẳng định phát hiện không dựa trên đồ thị đó.” Tuy nhiên, Jackson đã buộc tội các nhà khoa học của LIGO trong một email về “hành vi không đúng” và đã “quyết định có ý thức không thông báo cho độc giả rằng họ đã vi phạm một trong những quy tắc trung tâm của thực hành khoa học tốt.”

Lỗi do hình ảnh cẩu thả của LIGO hay tính toán sai lầm của nhóm Copenhagen? “Trong thực tế, tôi nghĩ là cả hai,” Brown nói. Nếu Jackson và đồng nghiệp có thể điều chỉnh tham số để tạo ra các sự tương quan ở độ lệch bảy mili giây, như những kết quả của Green và Moffat gợi ý, điều này thực sự đã làm chệch hướng tính toán của họ. Sau đó, ở cùng độ lệch, thuật toán bị chệch của họ chọn ra những phần tín hiệu không hoàn hảo được trừ còn lại trong tiếng ồn, làm tăng cường ấn tượng sai lầm.

Tuy nhiên, Jackson vẫn khăng khăng rằng các tương quan không thể giải thích được vẫn tồn tại và ông và đồng nghiệp đang chuẩn bị một bài bác bỏ cho công việc gần đây. Ông vẫn nghĩ rằng tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên, mạnh mẽ nhất của LIGO (và tất cả các tín hiệu khác theo tiếp) có thể là điều gì khác hoàn toàn — có thể, ông nói, “một cú đánh chớp tại Burkina Faso, động đất, hoặc thậm chí là một trong những ‘lỗi’ bí ẩn mà các bộ cảm biến LIGO nhìn thấy khoảng một lần mỗi giờ.”

Nhưng cả hai bài báo mới đã xem xét và phân tích lại dữ liệu gốc của LIGO và phát hiện lại các tín hiệu sóng hấp dẫn trong đó, sử dụng thuật toán khác với của LIGO. Các nghiên cứu khác cũng đã làm điều tương tự.

“Tôi nghĩ việc theo đuổi các phân tích độc lập về dữ liệu sóng hấp dẫn là một điều rất quan trọng và có giá trị, và chúng tôi rất vui mừng vì có nhiều người tham gia hơn,” Shoemaker, người phát ngôn của LIGO, nói. “Việc công trình của Jackson và đồng nghiệp đã kích thích thêm một số nghiên cứu độc lập có thể được xem xét là một kết quả tích cực, nhưng cá nhân tôi nghĩ nó đến với một chi phí hoàn toàn không cần thiết của 'kịch.'”

Trong khi đó, cặp cảm biến song song của LIGO, cùng với một công cụ thứ ba ở châu Âu có tên Virgo đã được bật vào năm 2017, đã ghi lại 10 sự va chạm giữa lỗ đen cho đến nay và một sóng nhấn thời gian từ sự va chạm giữa ngôi sao neutron. Các nhà khoa học đã công bố bốn sự phát hiện lỗ đen mới nhất trong tháng này và công bố đồ họa tuyệt vời cho thấy dân số ngày càng tăng của những cầu vồng bí ẩn, không thể nhìn thấy, siêu mật độ. Khi va chạm của ngôi sao neutron được phát hiện vào năm ngoái, 70 kính viễn vọng đã quay về phía pháo hoa; các quan sát của họ chỉ ra nguồn gốc vũ trụ của vàng, tốc độ mở rộng của vũ trụ và nhiều hơn nữa.

Brown nói rằng không có gì ngạc nhiên khi phát hiện cách mạng của LIGO gặp phải sự hoài nghi. Một sự kiện mạnh mẽ đã được phát hiện “đơn giản là vào ngày chúng tôi bật nó lên,” ông nói, và tỷ lệ va chạm giữa lỗ đen trong vũ trụ đã cho thấy ở mức cao nhất mong đợi.

“Vũ trụ yêu những nhà thiên văn sóng hấp dẫn,” ông nói.

Truyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Simons Foundation với nhiệm vụ làm tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa ra những phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Những điều tuyệt vời khác từ Mytour

• Giúp giải quyết bí ẩn cốt lõi của máy tính lượng tử
• Chúng ta vẫn chưa hiểu rõ về bản demo lớn nhất
• Facebook tiếp xúc các tổ chức phi lợi nhuận với những người hỗ trợ - và hacker
• Người đam mê toán học thiết kế cấu trúc origami quy mô lớn
• Những người mê nhạc quay lại buổi hòa nhạc yêu thích của bạn
• 👀 Đang tìm kiếm các thiết bị công nghệ mới nhất? Xem các lựa chọn, hướng dẫn mua sắm và ưu đãi tốt nhất của chúng tôi quanh năm
• 📩 Muốn thêm nữa? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi