infos.ro

O tehnică de separare a primelor unde gravitaționale ale universului | Știri MIT

Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu

În momentele imediat următoare Big Bang, au răsunat primele unde gravitaționale. Produsul fluctuațiilor cuantice din noua supă de materie primordială, aceste valuri timpurii prin țesătura spațiu-timpului au fost rapid amplificate de procesele inflaționiste care au determinat universul să se extindă exploziv.

Undele gravitaționale primordiale, produse în urmă cu aproape 13,8 miliarde de ani, răsună și astăzi în univers. Dar ele sunt înecate de trosnitul undelor gravitaționale produse de evenimente mai recente, cum ar fi ciocnirea găurilor negre și a stelelor neutronice.

Acum, o echipă condusă de un student absolvent al MIT a dezvoltat o metodă pentru a depista semnalele foarte slabe ale ondulațiilor primordiale din datele undelor gravitaționale. Rezultatele lor sunt publicat în această săptămână în Scrisori de revizuire fizică.

Undele gravitaționale sunt detectate aproape zilnic de către LIGO și alți detectoare de unde gravitaționale, dar semnalele gravitaționale primordiale sunt cu câteva ordine de mărime mai slabe decât ceea ce pot înregistra acești detectoare. Se așteaptă ca următoarea generație de detectoare să fie suficient de sensibilă pentru a capta aceste valuri timpurii.

În următorul deceniu, pe măsură ce instrumentele mai sensibile vor intra online, noua metodă ar putea fi aplicată pentru a descoperi semnale ascunse ale primelor unde gravitaționale ale universului. Modelul și proprietățile acestor unde primordiale ar putea dezvălui apoi indicii despre universul timpuriu, cum ar fi condițiile care au determinat inflația.

„Dacă puterea semnalului primordial se află în intervalul a ceea ce detectoarele de generație următoare pot detecta, ceea ce ar putea fi, atunci ar fi o chestiune de a porni mai mult sau mai puțin manivela pe date, folosind această metodă pe care am folosit-o. dezvoltat”, spune Sylvia Biscoveanu, studentă la Institutul Kavli pentru Astrofizică și Cercetare Spațială al MIT. „Aceste unde gravitaționale primordiale ne pot spune apoi despre procesele din universul timpuriu care altfel sunt imposibil de sondat.”

Co-autorii lui Biscoveanu sunt Colm Talbot de la Caltech și Eric Thrane și Rory Smith de la Universitatea Monash.

Un zumzet de concert

Căutarea undelor gravitaționale primordiale s-a concentrat în principal pe fundalul cosmic cu microunde, sau CMB, despre care se crede că este radiația rămasă de la Big Bang. Astăzi, această radiație pătrunde în univers ca energie care este cea mai vizibilă în banda de microunde a spectrului electromagnetic. Oamenii de știință cred că atunci când undele gravitaționale primordiale s-au ondulat, ele au lăsat o amprentă asupra CMB, sub forma unor moduri B, un tip de model de polarizare subtil.

Fizicienii au căutat semne ale modurilor B, cel mai faimos cu BICEP Array, o serie de experimente, inclusiv BICEP2, despre care în 2014 oamenii de știință credeau că a detectat modurile B. Semnalul s-a dovedit însă a fi din cauza prafului galactic.

Pe măsură ce oamenii de știință continuă să caute unde gravitaționale primordiale în CMB, alții vânează ondulațiile direct în datele undelor gravitaționale. Ideea generală a fost să încercăm să scădem „primul plan astrofizic” – orice semnal gravitațional care provine dintr-o sursă astrofizică, cum ar fi ciocnirea găurilor negre, stele neutronice și supernove care explodează. Doar după scăderea acestui prim plan astrofizic, fizicienii pot obține o estimare a semnalelor mai silențioase, nonastrofizice, care pot conține unde primordiale.

Problema acestor metode, spune Biscoveanu, este că prim-planul astrofizic conține semnale mai slabe, de exemplu de la fuziuni mai îndepărtate, care sunt prea slabe pentru a discerne și greu de estimat la scăderea finală.

„Analogia pe care îmi place să o fac este că, dacă ești la un concert rock, fundalul primordial este ca zumzetul luminilor de pe scenă, iar primul plan astrofizic este ca toate conversațiile tuturor oamenilor din jurul tău”, explică Biscoveanu. . „Puteți scădea conversațiile individuale până la o anumită distanță, dar apoi cele care sunt cu adevărat departe sau cu adevărat slabe încă se întâmplă, dar nu le puteți distinge. Când te duci să măsori cât de tare fredonează luminile scenei, vei obține această contaminare din aceste conversații suplimentare de care nu poți scăpa pentru că nu le poți tachina de fapt.”

O injecție primordială

Pentru noua lor abordare, cercetătorii s-au bazat pe un model pentru a descrie „conversațiile” mai evidente ale primului plan astrofizic. Modelul prezice tiparul semnalelor undelor gravitaționale care ar fi produse prin fuziunea obiectelor astrofizice de diferite mase și rotații. Echipa a folosit acest model pentru a crea date simulate ale tiparelor undelor gravitaționale, atât din surse astrofizice puternice, cât și din surse slabe, cum ar fi fuziunea găurilor negre.

Echipa a încercat apoi să caracterizeze fiecare semnal astrofizic care pândește în aceste date simulate, de exemplu pentru a identifica masele și rotațiile găurilor negre binare. Așa cum sunt, acești parametri sunt mai ușor de identificat pentru semnalele mai puternice și sunt doar puțin constrânși pentru cele mai slabe semnale. În timp ce metodele anterioare folosesc doar „cea mai bună presupunere” pentru parametrii fiecărui semnal pentru a-l scădea din date, noua metodă ține cont de incertitudinea în fiecare caracterizare a modelului și este astfel capabilă să discerne prezența celor mai slabe semnale. , chiar dacă nu sunt bine caracterizate. Biscoveanu spune că această capacitate de a cuantifica incertitudinea îi ajută pe cercetători să evite orice părtinire în măsurarea fondului primordial.

Odată ce au identificat astfel de modele distincte, non-aleatorie în datele undelor gravitaționale, au rămas cu semnale ale undelor gravitaționale primordiale mai aleatorii și zgomot instrumental specific fiecărui detector.

Se crede că undele gravitaționale primordiale pătrund în univers ca un zumzet difuz și persistent, despre care cercetătorii au presupus ipoteza că ar trebui să arate la fel și, astfel, să fie corelate, în oricare doi detectoare.

În schimb, restul zgomotului aleatoriu primit într-un detector ar trebui să fie specific acelui detector și necorelat cu alți detectoare. De exemplu, zgomotul generat de traficul din apropiere ar trebui să fie diferit în funcție de locația unui anumit detector. Prin compararea datelor din doi detectoare după luarea în considerare a surselor astrofizice dependente de model, parametrii fundalului primordial ar putea fi dezvăluiți.

Cercetătorii au testat noua metodă simulând mai întâi 400 de secunde de date de unde gravitaționale, pe care le-au împrăștiat cu modele de unde reprezentând surse astrofizice, cum ar fi fuziunea găurilor negre. Ei au injectat, de asemenea, un semnal în toate datele, similar cu zumzetul persistent al unei unde gravitaționale primordiale.

Apoi, au împărțit aceste date în segmente de patru secunde și și-au aplicat metoda fiecărui segment, pentru a vedea dacă au putut identifica cu exactitate orice fuziune a găurilor negre, precum și modelul undei pe care l-au injectat. După ce au analizat fiecare segment de date pe parcursul mai multor rulări de simulare și în diferite condiții inițiale, au reușit să extragă fundalul primordial îngropat.

„Am reușit să potrivim atât prim-planul, cât și fundalul în același timp, astfel încât semnalul de fundal pe care îl primim nu este contaminat de prim-planul rezidual”, spune Biscoveanu.

Ea speră că, odată ce detectoare sensibile de ultimă generație vor veni online, noua metodă poate fi folosită pentru a corela încrucișat și a analiza datele de la doi detectori diferiți, pentru a elimina semnalul primordial. Apoi, oamenii de știință pot avea un fir util pe care îl pot urmări până la condițiile universului timpuriu.

Sursa articol

You might also like