En teknik til at sile universernes første gravitationsbølger

I øjeblikke umiddelbart efter Big Bang, de allerførste gravitationsbølger lød. Produktet af kvantesvingninger i den nye suppe af urstof, disse tidligste krusninger gennem rumtidens stof blev hurtigt forstærket af inflationære processer, der drev universet til eksplosivt at ekspandere.

Urgravitationsbølger, produceret for næsten 13,8 milliarder år siden, ekko stadig gennem universet i dag. Men de druknes af knitringen af ​​gravitationsbølger frembragt af nyere begivenheder, såsom kolliderende sorte huller og neutronstjerner.

Nu har et team ledet af en MIT-kandidatstuderende udviklet en metode til at drille de meget svage signaler fra urkrydsninger fra gravitationsbølgedata. Deres resultater offentliggøres i dag i Fysisk gennemgangsbreve .

Gravitationsbølger opdages på næsten daglig basis af LIGO og andre gravitationsbølgedetektorer, men oprindelige gravitationssignaler er flere størrelsesordener svagere end hvad disse detektorer kan registrere. Det forventes, at den næste generation af detektorer vil være følsomme nok til at opfange disse tidligste krusninger.

I det næste årti, efterhånden som mere følsomme instrumenter kommer online, den nye metode kunne anvendes til at grave skjulte signaler fra universets første gravitationsbølger. Mønsteret og egenskaberne for disse urbølger kunne derefter afsløre spor om det tidlige univers, såsom de forhold, der drev inflationen.

"Hvis styrken af ​​ursignalet er inden for det område, som næste generations detektorer kan registrere, hvilket det kan være, så ville det være et spørgsmål om mere eller mindre bare at dreje håndsvinget på dataene, ved hjælp af denne metode, vi har udviklet, "siger Sylvia Biscoveanu, en kandidatstuderende ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Disse oprindelige gravitationsbølger kan så fortælle os om processer i det tidlige univers, som ellers er umulige at undersøge."

Biscoveanus medforfattere er Colm Talbot fra Caltech, og Eric Thrane og Rory Smith fra Monash University.

En koncert brummen

Jagten på urgravitationsbølger har hovedsageligt koncentreret sig om den kosmiske mikrobølgeovn, eller CMB, som menes at være stråling, der er tilovers fra Big Bang. I dag gennemsyrer denne stråling universet som energi, der er mest synlig i mikrobølgebåndet i det elektromagnetiske spektrum. Forskere mener, at når de oprindelige gravitationsbølger rippede ud, de efterlod et aftryk på CMB, i form af B-modes, en slags subtilt polarisationsmønster.

Fysikere har ledt efter tegn på B-modes, mest berømt med BICEP Array, en række eksperimenter, herunder BICEP2, som i 2014 mente forskere havde fundet B-modes. Signalet viste sig at skyldes galaktisk støv, imidlertid.

Mens forskere fortsætter med at lede efter urgravitationsbølger i CMB, andre jagter krusningerne direkte i gravitationsbølgedata. Den generelle idé har været at forsøge at trække den "astrofysiske forgrund" fra-ethvert tyngdebølgesignal, der stammer fra en astrofysisk kilde, såsom kolliderende sorte huller, neutronstjerner, og eksploderende supernovaer. Først efter at have trukket denne astrofysiske forgrund fra kan fysikere få et skøn over den mere stille, ikke -astrofysiske signaler, der kan indeholde urbølger.

Problemet med disse metoder, Biscoveanu siger, er, at den astrofysiske forgrund indeholder svagere signaler, for eksempel fra fusioner, der ligger længere væk der er for svage til at skelne og vanskelige at estimere i den sidste subtraktion.

"Den analogi, jeg kan lide at lave, er, hvis du er til en rockkoncert, den oprindelige baggrund er som lynnen af ​​lysene på scenen, og den astrofysiske forgrund er som alle samtalerne mellem alle mennesker omkring dig, "Forklarer Biscoveanu." Du kan trække de enkelte samtaler fra op til en vis afstand, men så sker der stadig dem, der virkelig er langt væk eller virkelig svage, men du kan ikke skelne dem. Når du går for at måle, hvor højt stagelysene nynner, du får denne forurening fra disse ekstra samtaler, som du ikke kan slippe af med, fordi du faktisk ikke kan drille dem ud. "

En urinjektion

For deres nye tilgang, forskerne støttede sig på en model til at beskrive de mere oplagte "samtaler" i den astrofysiske forgrund. Modellen forudsiger mønsteret af gravitationsbølgesignaler, der ville blive frembragt ved sammenlægning af astrofysiske objekter af forskellige masser og spins. Teamet brugte denne model til at oprette simulerede data om gravitationsbølgemønstre, af både stærke og svage astrofysiske kilder som fusion af sorte huller.

Holdet forsøgte derefter at karakterisere hvert astrofysisk signal, der lurer i disse simulerede data, for eksempel at identificere masserne og spinnene af binære sorte huller. Som det er, disse parametre er lettere at identificere for højere signaler, og kun svagt begrænset til de blødeste signaler. Mens tidligere metoder kun bruger et "bedste gæt" til parametrene for hvert signal for at trække det fra dataene, den nye metode tegner sig for usikkerheden i hver mønsterkarakterisering, og er således i stand til at skelne tilstedeværelsen af ​​de svageste signaler, selvom de ikke er velkarakteriserede. Biscoveanu siger, at denne evne til at kvantificere usikkerhed hjælper forskerne med at undgå bias i deres måling af den oprindelige baggrund.

Når de først havde identificeret så forskellige, ikke-tilfældige mønstre i gravitationsbølgedata, de blev efterladt med mere tilfældige oprindelige gravitationsbølgesignaler og instrumental støj, der var specifik for hver detektor.

Urgravitationsbølger menes at gennemsyre universet som et diffust, vedvarende brummen, som forskerne antog skulle se det samme ud, og dermed være korreleret, i to detektorer.

I modsætning, resten af ​​den tilfældige støj, der modtages i en detektor, skal være specifik for den detektor, og uden sammenhæng med andre detektorer. For eksempel, støj fra nærliggende trafik bør være forskellig afhængigt af placeringen af ​​en given detektor. Ved at sammenligne data i to detektorer efter at have taget højde for de modelafhængige astrofysiske kilder, parametrene for den oprindelige baggrund kunne drilles ud.

Forskerne testede den nye metode ved først at simulere 400 sekunders gravitationsbølgedata, som de spredte med bølgemønstre, der repræsenterer astrofysiske kilder, såsom sammensmeltning af sorte huller. De injicerede også et signal gennem dataene, ligner den vedvarende brummen i en urgravitationsbølge.

De opdelte derefter disse data i segmenter på fire sekunder og anvendte deres metode til hvert segment, for at se, om de nøjagtigt kunne identificere eventuelle fusioner af sorte huller samt mønsteret af den bølge, de injicerede. Efter at have analyseret hvert segment af data over mange simuleringskørsler, og under forskellige indledende betingelser, de havde succes med at udvinde de begravede, oprindelig baggrund.

"Vi kunne passe både forgrunden og baggrunden på samme tid, så det baggrundsignal, vi får, er ikke forurenet af den resterende forgrund, "Siger Biscoveanu.

Hun håber, at endnu en gang følsom, næste generations detektorer kommer online, den nye metode kan bruges til at krydskorrelere og analysere data fra to forskellige detektorer, for at sile det oprindelige signal. Derefter, forskere kan have en nyttig tråd, de kan spore tilbage til forholdene i det tidlige univers.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.