Изначальные гравитационные волны, произведенные почти 13.8 миллиардов лет назад, до сих пор эхом разносится по вселенной. Но они заглушены треском гравитационных волн, вызванных недавними событиями, такими как столкновение черных дыр и нейтронных звезд.
Теперь команда, возглавляемая аспирантом Массачусетского технологического института, разработала метод выявления очень слабых сигналов первичной ряби на основе данных гравитационных волн. Их результаты будут опубликованы на этой неделе в Physical Review Letters.
Гравитационные волны почти ежедневно обнаруживаются LIGO и другими детекторами гравитационных волн, но первичные гравитационные сигналы на несколько порядков слабее, чем те, которые могут регистрировать эти детекторы. Ожидается, что следующее поколение детекторов будет достаточно чувствительным, чтобы улавливать эту самую раннюю рябь.
В следующем десятилетии, когда появятся более чувствительные инструменты, новый метод может быть применен для обнаружения скрытых сигналов первых гравитационных волн Вселенной. Затем структура и свойства этих первичных волн могут дать подсказки о ранней Вселенной, например об условиях, которые вызвали инфляцию.
"Если сила первичного сигнала находится в пределах диапазона, который могут обнаружить детекторы следующего поколения, а это может быть, то это будет вопрос более или менее просто повернуть рукоятку данных, используя этот метод, который мы ", – говорит Сильвия Бисковяну, аспирантка Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. "Эти изначальные гравитационные волны могут рассказать нам о процессах в ранней Вселенной, которые иначе невозможно исследовать."
Соавторы Бисковяну – Колм Талбот из Калифорнийского технологического института, Эрик Трейн и Рори Смит из Университета Монаша.
Концертный гул
Охота на изначальные гравитационные волны была сосредоточена в основном на космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении, которое считается излучением, оставшимся после Большого взрыва. Сегодня это излучение пронизывает Вселенную в виде энергии, которая наиболее заметна в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра.
Ученые считают, что когда исходные гравитационные волны выходили из себя, они оставили отпечаток на реликтовом излучении в виде B-мод, типа тонкой поляризационной картины.
Физики искали признаки B-мод, наиболее известный из которых – BICEP Array, серия экспериментов, включая BICEP2, который в 2014 году, по мнению ученых, обнаружил B-моды.
Сигнал оказался из-за галактической пыли, однако.
Пока ученые продолжают искать первичные гравитационные волны в реликтовом излучении, другие ищут рябь непосредственно в данных о гравитационных волнах. Общая идея заключалась в том, чтобы попытаться вычесть «астрофизический передний план» – любой гравитационно-волновой сигнал, исходящий от астрофизического источника, такого как сталкивающиеся черные дыры, нейтронные звезды и взрывающиеся сверхновые.
Только после вычитания этого астрофизического переднего плана физики могут получить оценку более тихих, неастрофизических сигналов, которые могут содержать первичные волны.
Проблема этих методов, по словам Бисковяну, заключается в том, что астрофизический передний план содержит более слабые сигналы, например, от более удаленных слияний, которые слишком слабые, чтобы их можно было различить и которые трудно оценить при окончательном вычитании.
«Мне нравится проводить аналогию: если вы находитесь на рок-концерте, изначальный фон подобен гудению огней на сцене, а астрофизический передний план – как все разговоры всех людей вокруг вас», – объясняет Бисковяну. "Вы можете вычесть отдельные разговоры на определенном расстоянии, но тогда те, которые действительно далекие или очень слабые, все еще происходят, но вы не можете их различить. Когда вы измеряете, насколько громко гудят огни, вы получите это загрязнение от этих лишних разговоров, от которых вы не можете избавиться, потому что вы не можете на самом деле их дразнить."
Первобытный укол
В своем новом подходе исследователи полагались на модель, описывающую более очевидные «разговоры» на переднем плане астрофизики.
Модель предсказывает картину сигналов гравитационных волн, которые будут произведены слиянием астрофизических объектов разной массы и спина. Команда использовала эту модель для создания смоделированных данных моделей гравитационных волн как сильных, так и слабых астрофизических источников, таких как сливающиеся черные дыры.
Затем команда попыталась охарактеризовать каждый астрофизический сигнал, скрывающийся в этих смоделированных данных, например, чтобы определить массы и спины двойных черных дыр. Как есть, эти параметры легче определить для более громких сигналов и лишь слабо ограничены для самых тихих сигналов.
В то время как предыдущие методы использовали только «наилучшее предположение» для параметров каждого сигнала, чтобы вычесть его из данных, новый метод учитывает неопределенность в каждой характеристике паттерна и, таким образом, способен различать наличие самых слабых сигналов. , даже если они плохо охарактеризованы. Бисковяну говорит, что эта способность количественно оценивать неопределенность помогает исследователям избежать предвзятости при измерении изначального фона.
После того, как они идентифицировали такие отчетливые, неслучайные закономерности в данных о гравитационных волнах, у них осталось больше случайных первичных сигналов гравитационных волн и инструментального шума, специфичных для каждого детектора.
Считается, что первичные гравитационные волны пронизывают Вселенную в виде диффузного устойчивого гула, который, по предположению исследователей, должен выглядеть одинаково и, следовательно, коррелироваться в любых двух детекторах.
Напротив, остальной случайный шум, полученный в детекторе, должен быть специфическим для этого детектора и не коррелировать с другими детекторами. Например, шум, создаваемый близлежащим транспортным средством, должен отличаться в зависимости от местоположения данного детектора.
Сравнивая данные в двух детекторах после учета астрофизических источников, зависящих от модели, можно выявить параметры первичного фона.
Исследователи протестировали новый метод, сначала смоделировав 400 секунд данных гравитационных волн, которые они рассеяли вместе с волновыми структурами, представляющими астрофизические источники, такие как сливающиеся черные дыры. Они также вводили сигнал во все данные, похожий на постоянный гул изначальной гравитационной волны.
Затем они разделили эти данные на четырехсекундные сегменты и применили свой метод к каждому сегменту, чтобы посмотреть, могут ли они точно идентифицировать какие-либо слияния черных дыр, а также образец волны, которую они вводили.
После анализа каждого сегмента данных в ходе многих прогонов моделирования и при различных начальных условиях они успешно извлекли скрытый первозданный фон.
«Мы смогли подогнать и передний план, и задний план одновременно, поэтому фоновый сигнал, который мы получаем, не загрязняется остаточным передним планом», – говорит Бисковяну.
Она надеется, что снова появятся более чувствительные детекторы следующего поколения, новый метод можно будет использовать для взаимной корреляции и анализа данных от двух разных детекторов, чтобы отсеивать первичный сигнал. Тогда у ученых может быть полезная нить, которую они могут проследить до условий ранней Вселенной.