Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Задолго до того как мы опубликовали наши результаты, я осознал две вещи. Как и в игре в теннис, с которой начался BICEP, в научном эксперименте можно совершить два типа ошибок: вынужденные ошибки и невынужденные ошибки.

Невынужденных ошибок было множество. Проведенный Эваном анализ данных BICEP на частоте 220 ГГц показал, что галактическая пыль может генерировать большое количество ложных поляризованных В-мод, маскирующихся под следы инфляционных гравитационных волн. Даже если мы уловим сигнал B-мод, как точно определить его происхождение? Чтобы предотвратить невынужденную ложноположительную ошибку, нам нужно было научиться отделять B-моды микроволнового фона от В-мод Млечного Пути.

Опасность вынужденных ошибок была ничуть не меньше: в каждой точке измерения неизбежно присутствовал случайный шум. Этот шум, исходящий от излучающей тепло земной атмосферы, от самих детекторов телескопа и даже ото льда, означал, что BICEP мог обнаружить сигнал инфляционных B-мод, только если тот был достаточно сильным — намного сильнее, чем все возможные шумовые сигналы. Требовалось снизить шум и повысить чувствительность нашего инструмента — только так мы могли преодолеть ту планку знаний о реликтовом излучении, которая была установлена несколько лет назад зондом NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.

Чтобы избежать вынужденных ошибок, иными словами, добиться большей чувствительности, мы начали проектировать BICEP2 — поляриметр, с пятикратным количеством детекторов, причем более продвинутой конструкции, чем те болометры, что использовались в BICEP и Planck. План состоял в том, чтобы определить границу или, что более оптимистично, обнаружить сигнал с низким отношением сигнал/шум (конечно, это не то, о чем обычно мечтают ученые, но все же лучше, чем ничего) с помощью BICEP, а затем, опираясь на эти предварительные данные, вернуться и исследовать тот же участок неба с помощью более чувствительного BICEP2, чтобы попытаться достичь приемлемого уровня С/Ш.

Итак, в 2007 году, через шесть лет после того как я «продал» идею BICEP Эндрю и Джейми, я представил новый проект. К тому времени я сам стал профессором и преподавал физику и астрономию в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Большую часть жизни я даже не знал, что можно быть профессиональным астрономом, а теперь был одним из них. (Мне всегда казалось, что астрономия — это какая-то мифологическая профессия, вроде звездочета. Кто будет платить деньги за столь приятное занятие?) И вот я уже был не постдоком, а работал на себя. И под моим руководством была группа.

Я предложил, чтобы моя группа в университете Сан-Диего и группа Эндрю в Калтехе объединили усилия и вместе построили новую версию BICEP, чьи детекторы станут работать только на высоких частотах. Эта высокочастотная версия BICEP будет чувствительной только к пылевому шуму Млечного Пути и позволит застраховаться от ошибки в том случае, если BICEP обнаружит ложные сигналы В-мод.

Но на этот раз Эндрю отклонил мое предложение, заявив, что оно «прямо противоречит тщательно продуманной логике нашего эксперимента, которая состоит в том, чтобы обнаружить В-моды с минимальными затратами и в короткие сроки» на одной полосе микроволновых частот в 150 ГГц.

Что-то изменилось между нами, после того как в 2004 году я покинул Калтех и стал преподавать в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Было ли это результатом влияния Джейми, который считал, что своим участием в проекте POLARBEAR я предал команду BICEP, или просто Эндрю теперь больше заботила научная карьера его нынешних постдоков Джона Ковача и Чао-Линь Куо, я так и не узнал.

После этой встречи мне пришлось пережить тревожные дни, казалось, я зря сделал предложение: группа в Калтехе убедила Эндрю в том, что они не нуждаются во мне для реализации проекта BICEP2. К счастью, вскоре Эндрю изменил свое решение. «Твоя позиция мне ближе, чем моя, — сказал он. — Ты имеешь полное право на дальнейшее участие в проекте BICEP2. Но я хочу найти для тебя такой режим участия, который устраивал бы всех».

Меня это тоже вполне устраивало. Я не стремился возглавлять проект BICEP2, который, по сути, представлял собой модификацию оригинала. Основное изменение состояло в усовершенствованных сверхпроводящих детекторах, позволяющих нам втиснуть в такую же криостатную трубу небольшого диаметра в пять раз больше болометров, чем в BICEP (рис. 48). «Главное — это оригинальная идея», — успокаивал я себя, надеясь на то, что в случае успеха мне достанется заслуженная мной доля признания. Но пока что приходилось думать не столько об успехе, сколько о том, чтобы не потерпеть неудачу. Чтобы не стать Эдом Омом своего времени, на этот раз приписав космологическое происхождение банальному ложному сигналу, мне нужно было выбросить из головы все прошлые обиды и возможные проблемы в будущем и сосредоточиться на настоящем. Перед моей группой, и в частности перед моим новым аспирантом Джоном Кауфманом, стояли сложные задачи, и мы с головой погрузились в работу.

В отличие от BICEP, который имел три частотных канала, BICEP2 работал только на одной частоте в 150 ГГц, где сигнал реликтового излучения самый сильный. На этой частоте его чувствительность в десять раз выше, чем у старшего собрата, но во всем остальном они полностью идентичны.

Стратегия была ясна: обнаружить B-моды любого рода, а затем определить, имеют ли они космологическую или локальную природу, т. е. являются ли следами инфляционных гравитационных волн или сгенерированы пылью внутри Млечного Пути. Мы назвали эту стратегию «B-моды или провал». BICEP2, как и BICEP, по сути, представлял собой галилеевский рефрактор, размещенный внутри криостатной трубы. Он устанавливался на такой же станине, что и BICEP, поэтому мы могли и дальше пользоваться выделенной нам зоной в Лаборатории Темного сектора на Южном полюсе, что было самой ценной космологической недвижимостью на планете.

В то же время казалось, что наша монополия на поиск реликтовых B-мод закончилась. У BICEP2 появился мощный конкурент — космическая обсерватория Planck стоимостью в 1 млрд долларов, выведенная на космическую орбиту в том же 2009 году, в котором BICEP2 увидел свет. Летая в 1,5 млн км над Землей с ее зашумленной атмосферой, обсерватория Planck имела куда больше шансов, чем мы, в поисках отзвуков родовых мук Большого взрыва.

Благодаря тому что за предыдущие три года работы BICEP мы отладили все системы в обсерватории и проделали большую работу по анализу данных, мы могли сразу же сосредоточиться на функционировании нового компонента BICEP2 — его сверхпроводящих детекторов. То, что мы увидели, глубоко нас обескуражило — всех, кроме нашего лидера Эндрю Ланге. Он продолжал верить в нас, в то время как мы сами перестали верить в себя.