Technika odsiewania pierwotnych fal grawitacyjnych Wszechświata

Identyfikacja pierwotnych fal grawitacyjnych byłaby kluczem do zrozumienia warunków panujących we wczesnym Wszechświecie.

W chwilach bezpośrednio po Wielkim Wybuchu pojawiły się pierwsze fale grawitacyjne. Produkt fluktuacji kwantowych w nowej zupie pierwotnej materii, te najwcześniejsze zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, zostały szybko wzmocnione przez procesy inflacyjne, które doprowadziły Wszechświat do gwałtownej ekspansji.

Pierwotne fale grawitacyjne, wyprodukowane prawie 13,8 mld lat temu, wciąż odbijają się echem we Wszechświecie. Ale są zagłuszane przez trzask fal grawitacyjnych wytwarzanych przez nowsze wydarzenia, takie jak zderzanie się czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Obecnie zespół naukowców opracował metodę wydobywania bardzo słabych sygnałów pierwotnych zmarszczek z danych fal grawitacyjnych. Ich wynik został opublikowany 9 grudnia 2020 r. w Physical Review Letters.

Fale grawitacyjne są wykrywane niemal codziennie przez LIGO i inne detektory fal grawitacyjnych, ale pierwotne sygnały grawitacyjne są o kilka rzędów wielkości słabsze niż te, które te detektory mogą zarejestrować. Oczekuje się, że następna generacja detektorów będzie wystarczająco czuła, aby wychwycić te najwcześniejsze zmarszczki czasoprzestrzeni.

W następnej dekadzie, gdy zostaną uruchomione bardziej czułe instrumenty, nowa metoda może zostać zastosowana do odkopania ukrytych sygnałów pierwszych fal grawitacyjnych Wszechświata. Wzór i właściwości tych pierwotnych fal mogą następnie ukazać wskazówki dotyczące wczesnego Wszechświata, takie jak warunki, które doprowadziły do inflacji.

Szum koncertowy

Polowanie na pierwotne fale grawitacyjne koncentrowało się głównie na mikrofalowym promieniowaniu tła (CMB – cosmic microwave background), które jest uważane za promieniowanie pozostałe po Wielkim Wybuchu. Dzisiaj promieniowanie to przenika Wszechświat jako energia najbardziej widoczna w paśmie mikrofalowym widma elektromagnetycznego. Naukowcy są przekonani, że kiedy pierwotne fale grawitacyjne rozchodziły się, pozostawiły ślad na CMB w postaci modów B, rodzaju subtelnego wzoru polaryzacji.

Fizycy szukali oznak modów B, najbardziej znanych z BICEP Array, serii eksperymentów, w tym BICEP2, który według naukowców odkrył w 2014 roku mody B. Okazało się jednak, że sygnał pochodzi od pyłu galaktycznego.

Podczas gdy naukowcy nadal poszukują pierwotnych fal grawitacyjnych w CMB, inni polują na zmarszczki bezpośrednio w danych fal grawitacyjnych. Ogólny pomysł polegał na próbie odjęcia „astrofizycznego pierwszego planu” – dowolnego sygnału fali grawitacyjnej, który pochodzi z astrofizycznego źródła, takiego jak zderzenie się czarnych dziur, gwiazd neutronowych i wybuchających supernowych. Dopiero po ich odjęciu fizycy mogą uzyskać oszacowanie cichszych, nieastrofizycznych sygnałów, które mogą zawierać pierwotne fale grawitacyjne.

Problem z tymi metodami polega na tym, że astrofizyczny pierwszy plan zawiera słabsze sygnały, na przykład z odleglejszych połączeń, które są zbyt słabe, aby je dostrzec i trudne do oszacowania w końcowym odejmowaniu.

Pierwotny zastrzyk

W swoim nowym podejściu naukowcy bazowali na modelu opisującym bardziej oczywiste „rozmowy” astrofizycznego pierwszego planu. Model przewiduje wzór sygnałów fal grawitacyjnych, które powstałyby w wyniku połączenia obiektów astrofizycznych o różnych masach i spinach. Zespół wykorzystał ten model do stworzenia symulowanych danych wzorów fal grawitacyjnych, zarówno silnych, jak i słabych źródeł astrofizycznych, takich jak łączące się czarne dziury.

Następnie zespół próbował scharakteryzować każdy sygnał astrofizyczny czający się w tych symulowanych danych, na przykład w celu zidentyfikowania mas i spinów podwójnych czarnych dziur. W obecnej sytuacji parametry te są łatwiejsze do zidentyfikowania dla głośniejszych sygnałów i tylko słabo ograniczone dla najdelikatniejszych sygnałów. Podczas gdy poprzednie metody wykorzystują tylko „najlepsze przypuszczenie” dla parametrów każdego sygnału w celu odjęcia go od danych, nowa metoda uwzględnia niepewność w każdej charakterystyce wzorca, dzięki czemu jest w stanie wykryć obecność najsłabszych sygnałów, nawet jeśli nie są one dobrze scharakteryzowane. Sylvia Biscoveanu, doktorantka w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, mówi, że zdolność do ilościowego określenia niepewności pomaga naukowcom uniknąć jakichkolwiek błędów w pomiarach pierwotnego tła.

Po zidentyfikowaniu takich odrębnych, nielosowych wzorów w danych fal grawitacyjnych, pozostały im bardziej losowe sygnały pierwotnych fal grawitacyjnych i szum instrumentalny specyficzny dla każdego detektora.

Uważa się, że pierwotne fale grawitacyjne przenikają Wszechświat jako rozproszony, trwały szum, który według naukowców powinien wyglądać tak samo, a zatem być skorelowany, w dowolnych dwóch detektorach.

W przeciwieństwie do tego, reszta przypadkowego szumu odebranego w detektorze powinna być specyficzna dla tego detektora i nieskorelowana z innymi detektorami. Na przykład szum generowany przez pobliski ruch uliczny powinien być różny w zależności od lokalizacji danego detektora. Porównując dane z dwóch detektorów po uwzględnieniu źródeł astrofizycznych zależnych od modelu, można było wydobyć parametry pierwotnego tła.

Naukowcy przetestowali nową metodę, najpierw symulując 400 sekund danych fal grawitacyjnych, które rozproszyli za pomocą wzorów fal reprezentujących źródła astrofizyczne, takie jak łączenie się czarnych dziur. Wprowadzili również sygnał do wszystkich danych, podobnych do trwałego szumu pierwotnej fali grawitacyjnej.

Następnie podzielili te dane na czterosekundowe segmenty i zastosowali swoją metodę do każdego segmentu, aby sprawdzić, czy mogą dokładnie zidentyfikować każde połączenia czarnych dziur, a także wzór fali, którą wstrzyknęli. Po przeanalizowaniu każdego segmentu danych w wielu przebiegach symulacji i w różnych warunkach początkowych, udało się im się wyodrębnić zakopane pierwotne tło.

„Udało nam się jednocześnie dopasować zarówno pierwszy plan, jak i tło, więc sygnał tła, który otrzymujemy, nie jest zanieczyszczony resztką pierwszego planu” – powiedziała Biscoveanu.

Biscoveanu ma nadzieję, że gdy jeszcze czulsze detektory nowej generacji zostaną uruchomione, nowa metoda będzie mogła zostać wykorzystana do krzyżowej korelacji i analizy danych z różnych detektorów, aby oddzielić pierwotny sygnał. Wtedy naukowcy mogą mieć użyteczny wątek, który będą mogli prześledzić wstecz do warunków wczesnego Wszechświata.

Opracowanie:

Agnieszka Nowak

Źródło:

MIT