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zoom RSS インフレーションと原始重力波の最初の直接的な証拠(1)

<<   作成日時 : 2014/03/21 00:01   >>

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3/18のAM1:00ころに表題の発見のニュースが駆け巡りました。例えば、とねさんの昨夜の発表の感想: 宇宙誕生時の「重力波」観測 米チームが世界初などで取り上げられており、専門家では大栗先生のブログ原始の重力波 , 原始の重力波 その2や堀田先生のブログインフレーション宇宙でのホーキング輻射(Bモード観測との発表に絡んで) , 原始重力波観測で「私たちはホーキング輻射を見ている」と確実に言えるのか。で取り上げられていますね。
私がこれに付け加えられるものはないのですが、自分の理解のために、関連事項について備忘録的な記事を書いておきます。

まず、「B−モード偏光」って何だろう?という疑問が湧きました。重力波の+モードと×モードというのは重力波の偏光(3)に示した2つモードです(これはEMANさんのページ重力波の偏極モードの方が動きがあって分かりやすいです)。これと、宇宙背景輻射のB−モード偏光にどんな関係があるのでしょうか?ググってみると、京大大学院・高エネルギー物理学研究室の木河 達也さんの書かれた

Detection of B-mode Polarization in the Cosmic Microwave Background with Data from the South Pole Telescope

を見つけました。直訳すると「南極望遠鏡のデータによる宇宙マイクロ波背景放射中のB-モード偏極の検出」とでもいうことでしょうか(「偏極」より「偏光」の方が適切か?)。
この資料の4シート目の「CMBの偏光」に宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の偏光には線対称(偶パリティ)のE-モードと点対称(奇パリティ)のB-モードがあることが示されています。
正直なところ5シート目・6シート目は良く分かりませんが、7〜10シートで、

 +モードEモード偏光生成
 ×モードBモード偏光生成 

であることが分かります。
11シート目は重要です。全部引用させて貰うと、

 • 密度揺らぎはEモード偏光しか生成できない。
 • 重力波はEモード偏光もBモード偏光も生成できる。
 • 重力波の効果は密度揺らぎの効果と比べて非常に小さい。
  →Bモード偏光を使って重力波を測定できる。

で、重力波測定にBモード偏光が重要であることが分かります。
12シート目の「重力レンズ効果」では、この効果によりEモード偏光がBモード偏光に変化してしまうことが示されています。
13シート目の「Bモード偏光

 • Bモード偏光はEモード偏光に比べて非常に小さい。
 • インフレーション起源のBモード偏光以外に、重力レンズの効果によるBモード偏光がある。
 • スペクトルの角度スケールの違いから区別できる。

14シート目の「Bモード偏光のサイエンス

 • 原始重力波を通した初期宇宙の「直接」観測 – インフレーション宇宙にせまる
 • 重力レンズを通した宇宙の物質分布の進化の観測 – 暗黒エネルギーとニュートリノ質量

ということで、さらにBモード偏光が重要なことがおぼろげながら分かってきました。
後のシートはテクニカルなことで私には分からない部分が多いので省略します。

実は、この話題に関して堀田先生のブログもかなり興味深いので、それについての私の感想は別記事で書いてみたいと思います。→ インフレーションと原始重力波の最初の直接的な証拠(2)


今回の最後に、カルフォルニア工科大学の説明 First Direct Evidence of Inflation and Primordial Gravitational Waves を訳しておきます。自動翻訳でおかしいところを手直ししただけなので、日本語になっていないのですが、悪しからず。
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First Direct Evidence of Inflation and Primordial Gravitational Waves

インフレーションと原始重力波の最初の直接的な証拠

Astronomers announced today that they have acquired the first direct evidence that gravitational waves rippled through our infant universe during an explosive period of growth called inflation. This is the strongest confirmation yet of cosmic inflation theories, which say the universe expanded by 100 trillion trillion times in less than the blink of an eye.

天文学者は、インフレーションと呼ばれる成長の爆発的な期間内に我々の初期宇宙から波及した重力波の最初の直接的な証拠を獲得したと発表した。 これは、瞬きよりかなり短い瞬間に宇宙が100兆兆倍に拡大したというインフレーション理論のさらに最強の確認である。

"The implications for this detection stagger the mind," says Jamie Bock, professor of physics at Caltech, laboratory senior research scientist at the Jet Propulsion Laboratory (JPL) and project co-leader. "We are measuring a signal that comes from the dawn of time."

「この発見の含意は、心を驚かせる」と言うジェイミーボック 、カリフォルニア工科大学で物理学の教授、ジェット推進研究所(JPL)の研究室上級研究員とプロジェクトの共同リーダーである。 「我々は、太古の昔から来ている信号を測定している。」

Our universe burst into existence in an event known as the Big Bang 13.8 billion years ago. Fractions of a second later, space itself ripped apart, expanding exponentially in an episode known as inflation. Telltale signs of this early chapter in our universe's history are imprinted in the skies in a relic glow called the cosmic microwave background. Tiny fluctuations in this afterglow provide clues to conditions in the early universe.

我々の宇宙は138億年前にビッグバンとして知られている爆発から存在するようになった。1秒の何分の1後に、空間自体が分裂してインフレーションとして知られている出来事の中で指数関数的に拡大した。 我々の宇宙の歴史の中で、この初期の章の証拠となる兆候は、宇宙マイクロ波背景と呼ばれる遺物の輝きが空に刻印されている。この残光の小さな変動は初期宇宙の条件への糸口を提供する。

Small, quantum fluctuations were amplified to enormous sizes by the inflationary expansion of the universe. This process created density waves that make small differences in temperature across the sky where the universe was denser, eventually condensing into galaxies and clusters of galaxies. But as theorized, inflation should also produce gravitational waves, ripples in space-time propagating throughout the universe. Observations from the BICEP2 telescope at the South Pole now demonstrate that gravitational waves were created in abundance during the early inflation of the universe.

小さな、量子ゆらぎは宇宙インフレーションの拡大によって膨大なサイズに増幅した。 このプロセスは、最終的には銀河や銀河団に凝縮し、宇宙がより密だった空を横切って温度のわずかな違いを作る密度波を生成した。 しかし、理論化すると、インフレーションも、重力波を生成し時空のさざ波として宇宙全体に伝播する必要がある。 南極でのBICEP2望遠鏡の観察からは、現在、重力波が宇宙の初期の膨張中に豊富に生成されたことを示している。

On Earth, light can become polarized by scattering off surfaces, such as a car or pond, causing the glare that polarized sunglasses are designed to reduce. In space, the radiation of the cosmic microwave background, influenced by the squeezing of gravitational waves, was scattered by electrons, and became polarized, too.

地球では、光が車や池などの表面から散乱されてぎらぎらする偏光になること可能性があり、偏光サングラスはそれを減じるように設計されている。宇宙では、重力波の絞りの影響を受けて宇宙マイクロ波背景放射も、電子によって散乱し偏光となった。

Because gravitational waves have a "handedness"―they can have both left- and right-handed polarizations―they leave behind a characteristic pattern of polarization on the cosmic microwave background known as B-mode polarization. "The swirly B-mode pattern of polarization is a unique signature of gravitational waves," says collaboration co-leader Chao-Lin Kuo of Stanford University and the SLAC National Accelerator Laboratory. This is the first direct image of gravitational waves across the primordial sky."

重力波が「利き手」(左偏光と右変更の両方の場合があるが)を持つので、 B-モード分極化として知られている宇宙マイクロ波背景放射の上に、分極化の特徴的パターンを残す。「偏光の渦巻き模様のBモードパターンは重力波のユニークな署名である」とスタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所の共同研究の共同リーダーチャオ·リン·クオ氏は述べている。 これは原始空を横切って重力波の最初の直接イメージである。 "

In order to detect this B-mode polarization, the team examined spatial scales on the sky spanning about one to five degrees (two to 10 times the width of the full moon), which allowed them to gather photons from a broad swath of the cosmic microwave background in an area of the sky where we can see clearly through our own Milky Way galaxy. To do this, the team traveled to the South Pole to take advantage of the cold, dry, stable air. "The South Pole is the closest you can get to space and still be on the ground," says John Kovac of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, project co-leader and BICEP2 principal investigator. "It's one of the driest and clearest locations on Earth, perfect for observing the faint microwaves from the Big Bang."

このB-モード偏光を検出するために、明らかに我々自身の銀河系を見通すことができる空の領域で宇宙マイクロ波背景放射の幅広い帯から光子を集めるのを許すおよそ1〜5度(満月の幅の2〜10倍)にわたっている空の空間目盛りを、チームは調査した。これを行うため、冷たく乾燥し安定した空気を利用するために南極を訪れた。「南極はあなたが行くことができる地球上で最も宇宙に近い場所」とハーバード·スミソニアン天体物理学センター、プロジェクトの共同リーダーであり、BICEP2主任研究者のジョン·コバック氏は述べている。「それはビッグバンからかすかなマイクロ波を観測するための完璧な、地球上で最も乾燥し、最も明確な場所の一つである。」"

The team also invented completely new technology for making these measurements. "Our approach was like building a camera on a printed circuit board," says Bock. "The circuit board included an antenna to focus and filter polarized light, a micro-machined detector that turns the radiation into heat, and a superconducting thermometer to measure this heat." The detector arrays were made at JPL's Microdevices Laboratory.

チームはまた、これらの測定を行うための完全に新しい技術を発明した。 「我々のアプローチは、プリント基板上にカメラを構築するようなものだった」とボック氏は述べている。 「回路基板は、偏光をフィルタリングし検出するアンテナと、偏光放射線を熱に変えるマイクロ機械加工された検出器と、その熱を測定する超伝導温度計を含んでいた。」 検出器アレイは、JPLのマイクロデバイス研究所で製作された。

The BICEP2 team was surprised to detect a B-mode polarization signal considerably stronger than many cosmologists expected. The team analyzed the data for more than three years in an effort to rule out any errors. They also considered whether dust in our galaxy could produce the observed pattern, but the data suggest this is highly unlikely. "This has been like looking for a needle in a haystack, but instead we found a crowbar," says project co-leader Clem Pryke, of the University of Minnesota.

BICEP2チームは多くの宇宙論学者が期待するよりかなり強いBモード偏光シグナルを検出したことに驚いた。 チームは、すべてのエラーを排除する目的で、三年以上のデータを分析した。 彼らはまた、我々の銀河系内のダストが観察されたパターンを作り出すことができるかどうかを検討したが、データからはそれが非常に低いことが示唆された。 「これは干し草の山の中から針を探すようになっているのではなく、我々はクローバーを見つけた」とミネソタ大学のプロジェクトの共同リーダークレムPrykeは言う。

The prediction that the cosmic microwave background would show a B-mode polarization from gravitational waves produced during the inflationary period was made in 1996 by several theoretical physicists including Marc Kamionkowski, who was a member of the Caltech faculty from 1999 to 2011, and is now on the faculty at Johns Hopkins University. Kamionkowski says this discovery "is powerful evidence for inflation. I'd call it a smoking gun. We've now learned that gravitational waves are abundant, and can learn more about the process that powered inflation. This is a remarkable advance in cosmology."

インフレーション期間中の生成重力波から宇宙マイクロ波背景がBモード偏光を示すであろうという予測は、1999年から2011年カリフォルニア工科大学の教員のメンバーであり現在ジョンズ·ホプキンス大学の教員マーク·Kamionkowski、など何人かの理論物理学者で1996年に作られた。Kamionkowskiは、この発見は「インフレーションの強力な証拠であり、まさに硝煙を吐いている拳銃である。重力波が豊富であり、インフレーションを加速させる過程についての詳細を研究することが可能であることを我々は今学んだ。これは宇宙論の著しい進歩である。」

The BICEP project originated at Caltech in 2002 as a collaboration between Bock and the late physicist Andrew Lange.

BICEP プロジェクトは2002年にカリフォルニア工科大学においてボックと後輩物理学者アンドリュー·ラングとの連携として発生した。

BICEP2 is the second stage of a coordinated program with the BICEP and Keck Array experiments, which has a co-PI structure. The four principal investigators are Bock, Kovac, Kuo, and Pryke. All have worked together on the present result, along with talented teams of students and scientists. Other major collaborating institutions for BICEP2 include the University of California at San Diego, the University of British Columbia, the National Institute of Standards and Technology, the University of Toronto, Cardiff University, and Commissariat à l'energie atomique.

BICEP2はBICEPとco-PI構造を有しているケックアレイ実験との調整プログラムの第二段階である。4人の主任研究者は、ボック、コバック、郭、およびPrykeである。 有能な学生や研究者のチームと一緒に、現在の結果に一緒に取り組んできた。 BICEP2のための他の主要連携機関は、サンディエゴのカリフォルニア大学、ブリティッシュコロンビア大学、国立標準技術研究所、トロント大学、カーディフ大学、 Commissariat à l'energie atomique が含まれている。

BICEP2 is funded by the National Science Foundation. NSF also runs the South Pole Station where BICEP2 and the other telescopes used in this work are located. The W. M. Keck Foundation also contributed major funding for the construction of the team's telescopes. NASA, JPL, and the Gordon and Betty Moore Foundation generously supported the development of the ultrasensitive detector arrays that made these measurements possible.

BICEP2は全米科学財団によって資金を供給されている。全米科学財団は BICEP2とこの目的で使用される設置されている他の望遠鏡がある南極基地も運用している。WMケック財団もまたチームの望遠鏡の建設のための主要な資金を拠出した。 米航空宇宙局(NASA)、JPL、そしてゴードンとベティ·ムーア財団は、寛大にも、これらの測定を可能にした超高感度の検出器アレイの開発をサポートしていた。

Technical details and journal papers can be found on the BICEP2 release website.

技術的な詳細と論文はBICEP2リリースサイトで見つけることができる。

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[図の説明]
Gravitational waves from inflation generate a faint but distinctive twisting pattern in the polarization of the CMB, known as a "curl" or B-mode pattern. Shown here is the actual B-mode pattern observed with the BICEP2 telescope, with the line segments showing the polarization from different spots on the sky. The red and blue shading shows the degree of clockwise and anti-clockwise twisting of this B-mode pattern.

インフレーションから重力波は、「カール」またはB-モードパターンとして知られているCMBの偏光のかすかであるが、特徴的なねじれパターンを生成する。 CMBの偏光の大部分を発生密度揺らぎのために、原始パターンのこの部分は正確にゼロである。 ここに示した線分は、空上の異なるスポットから偏光を示すでBICEP2望遠鏡で観察される実際のB-モードパターンである。 赤と青の濃淡が時計回りと反時計回りのB-モードパターンのひねり程度を示す。
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