¿Era todo solo ruido? Análisis independiente arroja dudas sobre las detecciones de LIGO
Los agujeros negros binarios de la masa solar de 30 ish observados primero por LIGO son probables de la fusión de agujeros negros directos del derrumbamiento. Pero una nueva publicación cuestiona el análisis de la colaboración LIGO y la propia existencia de estas fusiones. Crédito de la imagen: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Por Sabine Hossenfelder, para Forbes Junio 16 de 2017
Sabine es un físico teórico especializado en gravedad cuántica y física de alta energía. Ella también freelance escribe sobre la ciencia.
Las opiniones expresadas por los Colaboradores de Forbes son propias.
Después de un esfuerzo de más de 100 años y una colaboración de más de 1.000 científicos, todos celebramos. Era el 11 de febrero de 2016, y LIGO acababa de anunciar su primera detección directa de ondas gravitatorias. El análisis de los datos atribuyó la señal a una fusión de agujeros negros que ocurrió a varios miles de millones de años luz de distancia. Pero ¿qué pasaría si no hubiera una señal en absoluto, sino más bien patrones y correlaciones en el ruido que nos engañó hasta hacernos creer que estábamos viendo algo que no era real? Un grupo de investigadores daneses acaba de presentar un documento argumentando que la celebración podría haber sido prematura.
Las ondulaciones en el espacio-tiempo ocurren a la frecuencia de la órbita mutua de los agujeros negros, y son más intensas en magnitud cuanto más cerca se encuentran. Crédito de la imagen: R. Hurt - Caltech/JPL.
Un equipo de cinco investigadores ― James Creswell, Sebastian von Hausegger, Andrew D. Jackson, Hao Liu y Pavel Naselsky ― del Instituto Niels Bohr de Copenhague, presentó su propio análisis de los datos de LIGO abiertamente disponibles. Y, a diferencia de la propia colaboración LIGO, llegan a una conclusión inquietante: que estas ondas gravitatorias pueden no ser señales en absoluto, sino patrones en el ruido que han engañado incluso a los mejores científicos que trabajan en este rompecabezas
Las masas de sistemas binarios conocidos de agujeros negros, incluyendo las tres fusiones verificadas y un candidato de la fusión que viene de LIGO. Crédito de la imagen: LIGO/ Caltech/ Sonoma State (Aurore Simonnet)
El observatorio de ondas gravitacionales LIGO consiste en dos sitios experimentales, uno en Livingston, Louisiana y otro en Hanford, Washington, cada uno de los cuales es un interferómetro láser con brazos de varios kilómetros de longitud. Sin embargo, incluso para estos detectores super-sensibles, las ondas gravitatorias son difíciles de medir. El problema no es tanto la debilidad absoluta de las ondas, el problema es que hay muchas otras perturbaciones que también mueven el interferómetro. El desafío, por lo tanto, es decir cual es la señal del ruido.
Una ilustración simplificada del sistema del interferómetro del laser de LIGO. Dado que los detectores están aquí en la Tierra, ambos experimentan ruidos sísmicos y de otras formas, pero el ruido entre detectores no debe estar correlacionado. Crédito de la imagen: LIGO collaboration
Una ilustración simplificada del sistema del interferómetro del laser de LIGO. Dado que los detectores están aquí en la Tierra, ambos experimentan ruidos sísmicos y de otras formas, pero el ruido entre detectores no debe estar correlacionado.
Para identificar una señal de onda gravitacional, LIGO se basa en la señal combinada de ambos detectores. Una onda gravitatoria recorrerá cada sitio en un momento diferente, ya que la señal viaja a la velocidad de la luz, pero los dos sitios están separados por miles de kilómetros. Las señales que llegan deben estar correlacionadas, pero con un tiempo-lag (tiempo de diferencia) característico y un offset de amplitud (corrimiento de la amplitud), ya que están orientadas de manera diferente en el espacio (en la superficie de la Tierra curvada) en tres dimensiones. Sin embargo, no debería haber tal correlación en el ruido. Al menos, esa es la idea.
El Observatorio Hanford de LIGO para la detección de ondas gravitatorias en el estado de Washington, EE.UU. Crédito de la imagen: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
El grupo danés encontró, sin embargo, que el ruido en ambos sitios del detector ― y sorprendentemente, entre los dos detectores supuestamente independientes ― también está correlacionado. Y peor aún, el tiempo de correlación es similar al intervalo de tiempo entre las señales grabadas, para cada uno de los tres eventos confirmados hasta ahora. Según Andrew Jackson, el líder del grupo danés,
"Si las propiedades de correlación de la señal y el ruido son similares, ¿cómo se puede saber exactamente qué es la señal y qué es el ruido?"
Esa es una comprensión muy importante. Una correlación en el ruido no afectaría las señales individuales en cada uno de los sitios. Pero para lograr una señal altamente significativa entre los detectores, la colaboración LIGO tiene en cuenta cómo se correlacionan ambas señales. Si esta correlación no fuera fiable, porque (por ejemplo) existía la posibilidad de que las correlaciones de ruido contaminaran sus datos, se reduciría la significación estadística de la detección. En otras palabras, lo que parece ser una señal podría ser causado simplemente por fluctuaciones. Sin embargo, los investigadores daneses no han cuantificado cuánto afectaría la significación estadística.
El ruido entre los dos detectores, en rojo y negro, claramente muestran correlaciones entre ellos. Crédito de la imagen: J. Creswell et al., arXiv:1706.04191v1
Para obtener una impresión visual de lo ruidoso que son los datos, observe la figura anterior. Esta gráfica muestra la medición en una ventana de 32 segundos alrededor de la primera detección de LIGO. Las curvas rojas son para el sitio experimental en Livingston, las negras para Hansford. Las curvas exteriores con amplitudes grandes son los datos brutos. Las dos curvas internas son los datos limpios, ampliados por un factor de 100 para que puedas verlo. El pequeño golpe en unos 16 segundos es el evento.
Hace unas semanas, Andrew Jackson presentó sus resultados en Munich. Un miembro de la facultad de física local (que prefiere no ser nombrado) encuentra los resultados "bastante inquietantes" y espera que la equipo del LIGO tomará las críticas de los daneses a corazón. "Hasta que LIGO proporcione una clara explicación científica (!) De por qué estos hallazgos están equivocados, diría que el resultado del documento invalida en alguna medida la fiabilidad del descubrimiento de LIGO".
La señal de onda gravitacional del primer par detectado, fusionando agujeros negros de la colaboración LIGO, analizada por LIGO. Sin embargo, la solidez de esta señal depende de la calidad de las técnicas de reducción de ruido utilizadas. Crédito de la imagen: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Jackson no es desconocido para la colaboración de LIGO. Sobre mi consulta con un miembro de la colaboración de LIGO qué hacer con el periódico, recibí la contestación molesta que la dirección de la colaboración recomienda "respetuosamente responder que hemos hablado con algún tiempo con el grupo en el pasado y no estoy de acuerdo en la Métodos que se utilizan y por lo tanto con las conclusiones. "Otro me dejó saber que una respuesta no está prevista.
Una deficiencia importante del análisis del grupo danés que me señalaron es que los daneses utilizan métodos basados en tutoriales del sitio web de LIGO, pero estos métodos no alcanzan el estándar de calidad del análisis de datos ―más intrincado― que se utilizó para obtener los resultados publicados.
Los mismos datos que se muestran arriba, para los 32 segundos que rodean la primera detección LIGO, sólo después de haber sufrido una transformada de Fourier. Crédito de la imagen: J. Creswell et al., arXiv:1706.04191v1
Un detalle específico que podría explicar el hallazgo es que los datos de la cepa LIGO tienen una deriva aleatoria, que es lenta, pero grande comparada con el propio ruido. Cortando parte de la señal - como en la ventana de 32 segundos mostrada arriba ― y Fourier analizando entonces supone un riesgo de superar los picos artificiales en los armónicos más altos de la ventana de tiempo. Este artefacto se puede remediar suavemente desvaneciendo los extremos del intervalo, algo que no se hizo o no se menciona en la crítica del grupo. Esta podría ser una posible razón para la correlación que encuentran.
Andrew Jackson mismo estaría feliz de ser mostrado mal. Espera que "nuestras preocupaciones sean tomadas de manera constructiva y conduzca tanto a mejores métodos para el análisis de datos como a una mejor comprensión de los resultados de LIGO y su apasionante potencial a largo plazo".
LIGO es el observatorio de ondas gravitacionales más avanzado del mundo. Nadie cuestiona la calidad de sus datos, pero la calidad de la forma en que se analizan los datos es tan vital.Instalación de las actualizaciones avanzadas LIGO. Crédito de la imagen: Caltech/MIT/LIGO Lab. - See more at: http://www.ligo.org/science/faq.php#sthash.yAM1hPOo.dpuf
Darle sentido a los datos de otra persona es complicado, como puedo confirmar de mi propia experiencia. Por lo tanto, creo que es probable que el grupo danés cometió un error. Sin embargo, me gustaría ver una explicación clara y "hicieron algo mal" es demasiado vaga para mi comodidad. Este es un descubrimiento digno de un Nobel y mucho está en juego. Incluso la más pequeña duda de que algo está en desacuerdo debe ser borrado.
―――――――――――――――――――――――
With a little help from Google Translate for Business
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras.
Los agujeros negros binarios de la masa solar de 30 ish observados primero por LIGO son probables de la fusión de agujeros negros directos del derrumbamiento. Pero una nueva publicación cuestiona el análisis de la colaboración LIGO y la propia existencia de estas fusiones. Crédito de la imagen: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Por Sabine Hossenfelder, para Forbes Junio 16 de 2017
Sabine es un físico teórico especializado en gravedad cuántica y física de alta energía. Ella también freelance escribe sobre la ciencia.
Las opiniones expresadas por los Colaboradores de Forbes son propias.
Después de un esfuerzo de más de 100 años y una colaboración de más de 1.000 científicos, todos celebramos. Era el 11 de febrero de 2016, y LIGO acababa de anunciar su primera detección directa de ondas gravitatorias. El análisis de los datos atribuyó la señal a una fusión de agujeros negros que ocurrió a varios miles de millones de años luz de distancia. Pero ¿qué pasaría si no hubiera una señal en absoluto, sino más bien patrones y correlaciones en el ruido que nos engañó hasta hacernos creer que estábamos viendo algo que no era real? Un grupo de investigadores daneses acaba de presentar un documento argumentando que la celebración podría haber sido prematura.
Las ondulaciones en el espacio-tiempo ocurren a la frecuencia de la órbita mutua de los agujeros negros, y son más intensas en magnitud cuanto más cerca se encuentran. Crédito de la imagen: R. Hurt - Caltech/JPL.
Un equipo de cinco investigadores ― James Creswell, Sebastian von Hausegger, Andrew D. Jackson, Hao Liu y Pavel Naselsky ― del Instituto Niels Bohr de Copenhague, presentó su propio análisis de los datos de LIGO abiertamente disponibles. Y, a diferencia de la propia colaboración LIGO, llegan a una conclusión inquietante: que estas ondas gravitatorias pueden no ser señales en absoluto, sino patrones en el ruido que han engañado incluso a los mejores científicos que trabajan en este rompecabezas
Las masas de sistemas binarios conocidos de agujeros negros, incluyendo las tres fusiones verificadas y un candidato de la fusión que viene de LIGO. Crédito de la imagen: LIGO/ Caltech/ Sonoma State (Aurore Simonnet)
El observatorio de ondas gravitacionales LIGO consiste en dos sitios experimentales, uno en Livingston, Louisiana y otro en Hanford, Washington, cada uno de los cuales es un interferómetro láser con brazos de varios kilómetros de longitud. Sin embargo, incluso para estos detectores super-sensibles, las ondas gravitatorias son difíciles de medir. El problema no es tanto la debilidad absoluta de las ondas, el problema es que hay muchas otras perturbaciones que también mueven el interferómetro. El desafío, por lo tanto, es decir cual es la señal del ruido.
Una ilustración simplificada del sistema del interferómetro del laser de LIGO. Dado que los detectores están aquí en la Tierra, ambos experimentan ruidos sísmicos y de otras formas, pero el ruido entre detectores no debe estar correlacionado. Crédito de la imagen: LIGO collaboration
Una ilustración simplificada del sistema del interferómetro del laser de LIGO. Dado que los detectores están aquí en la Tierra, ambos experimentan ruidos sísmicos y de otras formas, pero el ruido entre detectores no debe estar correlacionado.
Para identificar una señal de onda gravitacional, LIGO se basa en la señal combinada de ambos detectores. Una onda gravitatoria recorrerá cada sitio en un momento diferente, ya que la señal viaja a la velocidad de la luz, pero los dos sitios están separados por miles de kilómetros. Las señales que llegan deben estar correlacionadas, pero con un tiempo-lag (tiempo de diferencia) característico y un offset de amplitud (corrimiento de la amplitud), ya que están orientadas de manera diferente en el espacio (en la superficie de la Tierra curvada) en tres dimensiones. Sin embargo, no debería haber tal correlación en el ruido. Al menos, esa es la idea.
El Observatorio Hanford de LIGO para la detección de ondas gravitatorias en el estado de Washington, EE.UU. Crédito de la imagen: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
El grupo danés encontró, sin embargo, que el ruido en ambos sitios del detector ― y sorprendentemente, entre los dos detectores supuestamente independientes ― también está correlacionado. Y peor aún, el tiempo de correlación es similar al intervalo de tiempo entre las señales grabadas, para cada uno de los tres eventos confirmados hasta ahora. Según Andrew Jackson, el líder del grupo danés,
"Si las propiedades de correlación de la señal y el ruido son similares, ¿cómo se puede saber exactamente qué es la señal y qué es el ruido?"
Esa es una comprensión muy importante. Una correlación en el ruido no afectaría las señales individuales en cada uno de los sitios. Pero para lograr una señal altamente significativa entre los detectores, la colaboración LIGO tiene en cuenta cómo se correlacionan ambas señales. Si esta correlación no fuera fiable, porque (por ejemplo) existía la posibilidad de que las correlaciones de ruido contaminaran sus datos, se reduciría la significación estadística de la detección. En otras palabras, lo que parece ser una señal podría ser causado simplemente por fluctuaciones. Sin embargo, los investigadores daneses no han cuantificado cuánto afectaría la significación estadística.
El ruido entre los dos detectores, en rojo y negro, claramente muestran correlaciones entre ellos. Crédito de la imagen: J. Creswell et al., arXiv:1706.04191v1
Para obtener una impresión visual de lo ruidoso que son los datos, observe la figura anterior. Esta gráfica muestra la medición en una ventana de 32 segundos alrededor de la primera detección de LIGO. Las curvas rojas son para el sitio experimental en Livingston, las negras para Hansford. Las curvas exteriores con amplitudes grandes son los datos brutos. Las dos curvas internas son los datos limpios, ampliados por un factor de 100 para que puedas verlo. El pequeño golpe en unos 16 segundos es el evento.
Hace unas semanas, Andrew Jackson presentó sus resultados en Munich. Un miembro de la facultad de física local (que prefiere no ser nombrado) encuentra los resultados "bastante inquietantes" y espera que la equipo del LIGO tomará las críticas de los daneses a corazón. "Hasta que LIGO proporcione una clara explicación científica (!) De por qué estos hallazgos están equivocados, diría que el resultado del documento invalida en alguna medida la fiabilidad del descubrimiento de LIGO".
La señal de onda gravitacional del primer par detectado, fusionando agujeros negros de la colaboración LIGO, analizada por LIGO. Sin embargo, la solidez de esta señal depende de la calidad de las técnicas de reducción de ruido utilizadas. Crédito de la imagen: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Jackson no es desconocido para la colaboración de LIGO. Sobre mi consulta con un miembro de la colaboración de LIGO qué hacer con el periódico, recibí la contestación molesta que la dirección de la colaboración recomienda "respetuosamente responder que hemos hablado con algún tiempo con el grupo en el pasado y no estoy de acuerdo en la Métodos que se utilizan y por lo tanto con las conclusiones. "Otro me dejó saber que una respuesta no está prevista.
Una deficiencia importante del análisis del grupo danés que me señalaron es que los daneses utilizan métodos basados en tutoriales del sitio web de LIGO, pero estos métodos no alcanzan el estándar de calidad del análisis de datos ―más intrincado― que se utilizó para obtener los resultados publicados.
Los mismos datos que se muestran arriba, para los 32 segundos que rodean la primera detección LIGO, sólo después de haber sufrido una transformada de Fourier. Crédito de la imagen: J. Creswell et al., arXiv:1706.04191v1
Un detalle específico que podría explicar el hallazgo es que los datos de la cepa LIGO tienen una deriva aleatoria, que es lenta, pero grande comparada con el propio ruido. Cortando parte de la señal - como en la ventana de 32 segundos mostrada arriba ― y Fourier analizando entonces supone un riesgo de superar los picos artificiales en los armónicos más altos de la ventana de tiempo. Este artefacto se puede remediar suavemente desvaneciendo los extremos del intervalo, algo que no se hizo o no se menciona en la crítica del grupo. Esta podría ser una posible razón para la correlación que encuentran.
Andrew Jackson mismo estaría feliz de ser mostrado mal. Espera que "nuestras preocupaciones sean tomadas de manera constructiva y conduzca tanto a mejores métodos para el análisis de datos como a una mejor comprensión de los resultados de LIGO y su apasionante potencial a largo plazo".
LIGO es el observatorio de ondas gravitacionales más avanzado del mundo. Nadie cuestiona la calidad de sus datos, pero la calidad de la forma en que se analizan los datos es tan vital.Instalación de las actualizaciones avanzadas LIGO. Crédito de la imagen: Caltech/MIT/LIGO Lab. - See more at: http://www.ligo.org/science/faq.php#sthash.yAM1hPOo.dpuf
Darle sentido a los datos de otra persona es complicado, como puedo confirmar de mi propia experiencia. Por lo tanto, creo que es probable que el grupo danés cometió un error. Sin embargo, me gustaría ver una explicación clara y "hicieron algo mal" es demasiado vaga para mi comodidad. Este es un descubrimiento digno de un Nobel y mucho está en juego. Incluso la más pequeña duda de que algo está en desacuerdo debe ser borrado.
―――――――――――――――――――――――
With a little help from Google Translate for Business