筛选出宇宙最初的引力波的技术

在紧接大爆炸之后的瞬间,第一波引力波发出了。新的原始物质汤中量子涨落的产物,这些最早的时空脉动被膨胀过程迅速放大,这些膨胀过程促使宇宙爆炸性地膨胀。

大约138亿年前产生的原始引力波仍在今天的宇宙中回荡。但是它们被最近的事件(例如碰撞的黑洞和中子星)产生的引力波的裂纹淹没了。

现在,由MIT研究生带领的一个团队开发了一种方法,可以从引力波数据中找出非常微弱的原始波纹信号。他们的结果今天发表在《物理评论快报》上。

LIGO和其他重力波探测器几乎每天都会检测到引力波,但是原始引力信号要比这些探测器所能记录的弱几个数量级。预计下一代检测器将足够灵敏以吸收这些最早的波动。

在接下来的十年中,随着越来越多的敏感仪器投入使用,这种新方法可能会被用于挖掘宇宙中第一个重力波的隐藏信号。这些原始波的模式和性质然后可以揭示有关早期宇宙的线索,例如导致通货膨胀的条件。

“如果原始信号的强度在下一代检测器可以检测到的范围之内,那么,或多或少地改变数据就可以了,使用这种方法麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的研究生Sylvia Biscoveanu说。“这些原始引力波然后可以告诉我们有关早期宇宙中无法探测的过程。”

Biscoveanu的合著者是加州理工学院的Colm Talbot,以及莫纳什大学的Eric Thrane和Rory Smith。

一场嗡嗡声

对原始引力波的搜寻主要集中在宇宙微波背景或CMB,CMB被认为是大爆炸所遗留下来的辐射。今天,这种辐射以电磁波谱的微波带中最可见的能量的形式渗透到宇宙中。科学家们相信,当原始引力波荡漾时,它们会以B模式(一种微妙的极化模式)的形式在CMB上留下印记。

物理学家一直在寻找B模式的迹象,最著名的是BICEP阵列,这是包括BICEP2在内的一系列实验,2014年科学家认为BICEP2已检测到B模式。但是,该信号却是由于银河尘埃引起的。

随着科学家继续在CMB中寻找原始引力波,其他人则直接在引力波数据中寻找波动。通常的想法是尝试减去“天体物理学前景”,即天体物理学来源产生的任何引力波信号,例如碰撞的黑洞,中子星和爆炸的超新星。只有减去这个天文学的前景,物理学家才能获得对可能包含原始波的更安静的非天体信号的估计。

Biscoveanu说,这些方法的问题在于,天体物理前景包含较弱的信号,例如来自较远合并的信号,这些信号太微弱而无法辨别,并且在最终减法中很难估计。

比斯科韦阿努解释说:“我想打个比方,如果你在一场摇滚音乐会上,原始的背景就像舞台上灯光的嗡嗡声,而天体的前景就像你周围所有人的所有对话。” 。“您可以减去一段特定距离内的各个对话,但实际上仍在远处或微弱的对话仍在发生,但是您无法区分它们。当您测量舞台灯光发出的嗡嗡声时,您将无法摆脱这些多余的对话,因为您实际上无法取笑这些对话。”

原始注射

对于他们的新方法,研究人员依靠一个模型来描述天体物理前景的更明显的“对话”。该模型预测了重力波信号的模式,该模式将通过合并不同质量和旋转的天体物体而产生。该团队使用该模型来创建重力波模式的模拟数据,包括强天体物理源和弱天体物理源,例如合并黑洞。

然后,研究小组试图表征这些模拟数据中潜伏的每个天体信号,例如识别二元黑洞的质量和自旋。照原样,这些参数对于较大的信号更容易识别,而对于最柔和的信号则仅受弱约束。尽管以前的方法仅对每个信号的参数使用“最佳猜测”,以便从数据中减去它,但是新方法考虑了每个模式特征的不确定性,因此能够辨别最弱的信号的存在。 ,即使它们的特征不明确。Biscoveanu说,这种量化不确定性的能力有助于研究人员避免在测量原始背景时出现任何偏差。

一旦他们在引力波数据中识别出这种独特的,非随机的模式,便会留下更多随机的原始引力波信号和每个探测器特有的仪器噪声。

据信,原始引力波以弥散的,持续的嗡嗡声渗透到整个宇宙中,研究人员假设在任何两个探测器中,它们看起来应该是相同的,因此是相互关联的。

相反,在检测器中接收到的其余随机噪声应特定于该检测器,并且与其他检测器无关。例如,根据给定检测器的位置,附近交通产生的噪声应有所不同。在考虑了与模型有关的天体物理源之后,通过在两个探测器中比较数据,可以得出原始背景的参数。

研究人员通过首先模拟400秒的引力波数据测试了这种新方法,这些数据以代表天体物理源(例如合并黑洞)的波型散布。他们还在整个数据中注入了信号,类似于原始引力波的持续嗡嗡声。

然后,他们将这些数据分为四秒,然后将其方法应用于每个分段,以查看他们是否可以准确识别出任何黑洞合并以及所注入的波型。在许多模拟运行中分析了数据的每个部分之后,并在不同的初始条件下,他们成功地提取了隐藏的原始背景。

Biscoveanu说:“我们能够同时调整前景和背景,因此我们得到的背景信号不会受到残留前景的污染。”

她希望,一旦更灵敏的下一代检测器投入使用,该新方法便可以用于对两个不同检测器的数据进行互相关和分析,以筛选出原始信号。然后,科学家可能会有一个有用的线索,他们可以追溯到早期宇宙的状况。

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