Golven van onzekerheid

In januari van dit jaar werd gemeld dat het LIGO-observatorium mogelijk de tweede gebeurtenis van de samensmelting van twee neutronensterren heeft geregistreerd. Deze informatie ziet er geweldig uit in de media, maar veel wetenschappers beginnen ernstige twijfels te krijgen over de betrouwbaarheid van de ontdekkingen van de opkomende "zwaartekrachtgolfastronomie".

In april 2019 detecteerde de LIGO-detector in Livingston, Louisiana, een combinatie van objecten op ongeveer 520 miljoen lichtjaar van de aarde. Deze waarneming, gedaan met slechts één detector, in Hanford, was tijdelijk uitgeschakeld en Maagd registreerde het fenomeen niet, maar beschouwde het niettemin als een voldoende signaal van het fenomeen.

Signaalanalyse GW190425 duidde op een botsing van een dubbelstersysteem met een totale massa van 3,3 tot 3,7 keer de massa van de zon (1). Dit is duidelijk groter dan de massa’s die doorgaans worden waargenomen in binaire neutronensterrensystemen in de Melkweg, die variëren van 2,5 tot 2,9 zonsmassa’s. Er is gesuggereerd dat de ontdekking mogelijk een populatie binaire neutronensterren vertegenwoordigt die nog niet eerder is waargenomen. Niet iedereen houdt van deze vermenigvuldiging van wezens zonder noodzaak.

1. Visualisatie van de botsing van de neutronenster GW190425.

Feit is dat GW190425 werd geregistreerd door een enkele detector betekent dat wetenschappers de locatie niet nauwkeurig konden bepalen, en er is geen waarnemingsspoor in het elektromagnetische bereik, zoals in het geval van GW170817, de eerste samensmelting van twee neutronensterren waargenomen door LIGO (wat ook twijfelachtig is , maar daarover hieronder meer). Het is mogelijk dat dit geen twee neutronensterren waren. Misschien een van de objecten Zwart gat. Misschien waren beide. Maar dan zouden het kleinere zwarte gaten zijn dan enig ander bekend zwart gat, en zouden modellen voor de vorming van binaire zwarte gaten moeten worden herbouwd.

Er zijn te veel van deze modellen en theorieën om aan te passen. Of misschien zal de "zwaartekrachtgolfastronomie" zich gaan aanpassen aan de wetenschappelijke nauwkeurigheid van de oude velden van ruimteobservatie?

Te veel valse positieven

Alexander Unziker (2), een Duitse theoretisch fysicus en gerespecteerd populair-wetenschappelijke schrijver, schreef in februari op Medium dat, ondanks enorme verwachtingen, de zwaartekrachtsgolfdetectoren LIGO en VIRGO (3) in een jaar niets interessants lieten zien, behalve willekeurige valse positieven. Volgens de wetenschapper roept dit ernstige twijfels op over de gebruikte methode.

Met de 2017 Nobelprijs voor Natuurkunde toegekend aan Rainer Weiss, Barry K. Barish en Kip S. Thorne, leek de vraag of zwaartekrachtgolven konden worden gedetecteerd voor eens en voor altijd te worden opgelost. De beslissing van het Nobelcomité betreft: extreem sterke signaaldetectie GW150914 gepresenteerd op een persconferentie in februari 2016, en het reeds genoemde signaal GW170817, dat werd toegeschreven aan de samensmelting van twee neutronensterren, aangezien twee andere telescopen een convergerend signaal registreerden.

Sindsdien zijn ze het officiële wetenschappelijke schema van de natuurkunde binnengegaan. De ontdekkingen lokten enthousiaste reacties uit en een nieuw tijdperk in de astronomie werd verwacht. Zwaartekrachtgolven zouden een "nieuw venster" op het heelal zijn, een aanvulling op het arsenaal van eerder bekende telescopen en leiden tot volledig nieuwe soorten waarnemingen. Velen hebben deze ontdekking vergeleken met de telescoop van Galileo uit 1609. Nog enthousiaster was de verhoogde gevoeligheid van zwaartekrachtgolfdetectoren. De hoop op tientallen opwindende ontdekkingen en detecties tijdens de O3-observatiecyclus die in april 2019 begon, was hooggespannen. Tot nu toe, merkt Unziker op, hebben we echter niets.

Om precies te zijn, geen van de zwaartekrachtsgolfsignalen die de afgelopen maanden zijn geregistreerd, is onafhankelijk geverifieerd. In plaats daarvan was er een onverklaarbaar hoog aantal valse positieven en signalen, die vervolgens werden gedowngraded. Vijftien gebeurtenissen kwamen niet door de validatietest met andere telescopen. Daarnaast werden 19 signalen uit de test verwijderd.

Sommigen van hen werden aanvankelijk als zeer belangrijk beschouwd - bijvoorbeeld, GW191117j werd geschat op een gebeurtenis met een waarschijnlijkheid van één op 28 miljard jaar, voor GW190822c - één op 5 miljard jaar en voor GW200108v - 1 op 100. jaar. Aangezien de beschouwde observatieperiode niet eens een heel jaar was, zijn er veel van dergelijke valse positieven. Er kan iets mis zijn met de signaleringsmethode zelf, merkt Unziker op.

De criteria voor het classificeren van signalen als "fouten" zijn volgens hem niet transparant. Het is niet alleen zijn mening. De bekende theoretisch fysicus Sabina Hossenfelder, die eerder op tekortkomingen in de analysemethoden van LIGO-detectorgegevens heeft gewezen, merkte op haar blog op: "Hier krijg ik hoofdpijn van, mensen. Als u niet weet waarom uw detector iets oppikt dat niet lijkt te zijn wat u verwacht, hoe kunt u hem dan vertrouwen als hij ziet wat u verwacht?

Foutinterpretatie gaat ervan uit dat er geen systematische procedure bestaat om feitelijke signalen van andere te scheiden, behalve om flagrante tegenstrijdigheden met andere waarnemingen te vermijden. Helaas hebben maar liefst 53 gevallen van “kandidaat-ontdekkingen” één ding gemeen: niemand behalve de rapporterende persoon heeft het opgemerkt.

De media hebben de neiging om LIGO/VIRGO-ontdekkingen voortijdig te vieren. Wanneer latere analyses en zoektochten naar bevestiging mislukken, zoals al enkele maanden het geval is, is er geen enthousiasme of correctie meer in de media. In deze minder effectieve fase tonen de media helemaal geen interesse.

Slechts één detectie is zeker

Als we de ontwikkeling van de situatie sinds de spraakmakende openingsaankondiging in 2016 hebben gevolgd, zouden de huidige twijfels volgens Unziker niet als een verrassing moeten komen. De eerste onafhankelijke evaluatie van de gegevens werd uitgevoerd door een team van het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen onder leiding van Andrew D. Jackson. Hun analyse van de gegevens onthulde vreemde correlaties in de resterende signalen, waarvan de oorsprong nog steeds onduidelijk is, ondanks de beweringen van het team dat alle anomalieën inbegrepen. Signalen worden gegenereerd wanneer ruwe gegevens (na uitgebreide voorbewerking en filtering) worden vergeleken met zogenaamde sjablonen, d.w.z. theoretisch verwachte signalen van numerieke simulaties van zwaartekrachtsgolven.

Bij het analyseren van gegevens is een dergelijke procedure echter alleen geschikt wanneer het bestaan ​​zelf van het signaal is vastgesteld en de vorm ervan precies bekend is. Anders is patroonanalyse een misleidend hulpmiddel. Jackson maakte dit zeer effectief tijdens de presentatie, waarbij hij de procedure vergeleek met automatische beeldherkenning van kentekenplaten. Ja, het is geen probleem om een ​​wazig beeld nauwkeurig af te lezen, maar alleen als alle passerende auto's in de buurt kentekenplaten hebben van precies de juiste maat en stijl. Als het algoritme echter zou worden toegepast op afbeeldingen "in de natuur", zou het de kentekenplaat herkennen van elk helder object met zwarte vlekken. Dit is wat Unziker denkt dat er kan gebeuren met zwaartekrachtsgolven.

3. Netwerk van zwaartekrachtgolfdetectoren in de wereld

Er waren andere twijfels over de signaaldetectiemethodologie. Als reactie op kritiek ontwikkelde de Copenhagen-groep een methode die puur statistische kenmerken gebruikt om signalen te detecteren zonder gebruik van patronen. Bij toepassing is het eerste incident van september 2015 nog duidelijk zichtbaar in de resultaten, maar... tot nu toe alleen deze. Zo'n sterke zwaartekrachtgolf kan kort na de lancering van de eerste detector "veel geluk" worden genoemd, maar na vijf jaar begint het gebrek aan verdere bevestigde ontdekkingen zorgen te baren. Als er de komende tien jaar geen statistisch significant signaal is, zullen er dan? eerste waarneming van GW150915 nog steeds als echt beschouwd?

Sommigen zullen zeggen dat het later was detectie van GW170817, dat wil zeggen, het thermonucleaire signaal van een binaire neutronenster, consistent met instrumentele waarnemingen in het gammastralingsgebied en optische telescopen. Helaas zijn er veel inconsistenties: de detectie van LIGO werd pas enkele uren nadat andere telescopen het signaal hadden opgemerkt, ontdekt.

Het VIRGO-lab, slechts drie dagen eerder gelanceerd, gaf geen herkenbaar signaal. Daarnaast was er dezelfde dag een netwerkstoring bij LIGO/VIRGO en ESA. Er waren twijfels over de compatibiliteit van het signaal met een fusie van neutronensterren, een zeer zwak optisch signaal, enz. Aan de andere kant beweren veel wetenschappers die zwaartekrachtgolven bestuderen dat de door LIGO verkregen richtingsinformatie veel nauwkeuriger was dan de informatie van de andere twee telescopen, en ze zeggen dat de vondst niet per ongeluk kan zijn geweest.

Voor Unziker is het een nogal verontrustend toeval dat de gegevens voor zowel GW150914 als GW170817, de eerste gebeurtenissen van dit soort die op grote persconferenties werden genoteerd, onder "abnormale" omstandigheden werden verkregen en destijds niet onder veel betere technische omstandigheden konden worden gereproduceerd metingen van lange reeksen.

Dit leidt tot nieuws zoals een vermeende supernova-explosie (die een illusie bleek te zijn), unieke botsing van neutronensterrenhet dwingt wetenschappers om "jarenlange conventionele wijsheid te heroverwegen" of zelfs een 70-solar zwart gat, wat het LIGO-team een ​​​​te overhaaste bevestiging van hun theorieën noemde.

Unziker waarschuwt voor een situatie waarin zwaartekrachtsgolfastronomie een beruchte reputatie zal verwerven voor het leveren van "onzichtbare" (anderszins) astronomische objecten. Om dit te voorkomen, biedt het meer transparantie van methoden, publicatie van de gebruikte sjablonen, analysestandaarden en het instellen van een vervaldatum voor evenementen die niet onafhankelijk zijn gevalideerd.