Отсев первых гравитационных волн

Изначальные гравитационные волны, возникшие почти 13,8 миллиарда лет назад, до сих пор эхом разносятся по Вселенной. Но они заглушаются треском гравитационных волн, вызванных недавними событиями, такими как столкновение черных дыр и нейтронных звезд.

Отсев первых гравитационных волн

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 все более чувствительные инструменты, новый метод можно будет применить для обнаружения скрытых сигналов первых гравитационных волн Вселенной. Затем структура и свойства этих первичных волн могут дать подсказки о ранней Вселенной, например, об условиях, вызвавших 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 простого поворота рукоятки данных, используя этот метод, который мы «, — говорит Сильвия Бисковяну, аспирантка Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. «Эти первичные гравитационные волны могут рассказать нам о процессах в ранней Вселенной, которые иначе невозможно исследовать».

Соавторами Бисковяну являются Колм Талбот из Калифорнийского технологического института, Эрик Трейн и Рори Смит из Университета Монаша.

Охота на первичные гравитационные волны 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 полагают, что, когда исходные гравитационные волны исходили от Земли, 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. Однако сигнал оказался из-за галактической пыли.

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.

«Я люблю 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 действительно слабые, все еще происходят, но вы не можете их различить. Когда вы идете измерять, насколько громко гудят оленьи огни, вы получите это заражение от этих лишних разговоров, от которых вы не сможете избавиться, потому что вы не можете их дразнить ».

В своем новом подходе исследователи полагались на модель, описывающую более очевидные «разговоры» на переднем плане астрофизики. Модель предсказывает характер 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 используют 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 недостаточно охарактеризованы. Бисковяну говорит, что эта способность количественно оценивать неопределенность помогает исследователям избежать каких-либо предубеждений при измерении изначальной спины.