En los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang, sonaron las primeras ondas gravitacionales. Producto de las fluctuaciones cuánticas en la nueva sopa de materia primordial, estas primeras ondas a través del tejido del espacio-tiempo fueron rápidamente amplificadas por procesos inflacionarios que impulsaronel universo para expandirse explosivamente.
Las ondas gravitacionales primordiales, producidas hace casi 13.800 millones de años, todavía resuenan en el universo hoy en día. Pero son ahogadas por el crepitar de las ondas gravitacionales producidas por eventos más recientes, como la colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones.
Ahora, un equipo dirigido por un estudiante graduado del MIT ha desarrollado un método para detectar las señales muy débiles de ondas primordiales a partir de datos de ondas gravitacionales. Sus resultados se publicarán esta semana en Cartas de revisión física.
Las ondas gravitacionales son detectadas casi a diario por LIGO y otros detectores de ondas gravitacionales, pero las señales gravitacionales primordiales son varios órdenes de magnitud más débiles de lo que estos detectores pueden registrar. Se espera que la próxima generación de detectores sea lo suficientemente sensiblepara recoger estas primeras ondas.
En la próxima década, a medida que se pongan en línea instrumentos más sensibles, el nuevo método podría aplicarse para desenterrar señales ocultas de las primeras ondas gravitacionales del universo. El patrón y las propiedades de estas ondas primordiales podrían revelar pistas sobre el universo temprano, comocomo las condiciones que impulsaron la inflación.
"Si la fuerza de la señal primordial está dentro del rango de lo que pueden detectar los detectores de próxima generación, lo que podría ser, entonces sería una cuestión de más o menos simplemente girar la manivela de los datos, usando este métodoque hemos desarrollado ", dice Sylvia Biscoveanu, estudiante de posgrado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT." Estas ondas gravitacionales primordiales pueden informarnos sobre procesos en el universo temprano que de otro modo serían imposibles de sondear ".
Los coautores de Biscoveanu son Colm Talbot de Caltech y Eric Thrane y Rory Smith de la Universidad de Monash.
Un zumbido de concierto
La búsqueda de ondas gravitacionales primordiales se ha concentrado principalmente en el fondo de microondas cósmico, o CMB, que se cree que es la radiación que queda del Big Bang. Hoy en día, esta radiación impregna el universo como energía que es más visible en la banda de microondas.del espectro electromagnético. Los científicos creen que cuando las ondas gravitacionales primordiales se ondularon, dejaron una huella en el CMB, en forma de modos B, un tipo de patrón de polarización sutil.
Los físicos han buscado señales de modos B, el más famoso con BICEP Array, una serie de experimentos que incluyen BICEP2, que en 2014 los científicos creían que habían detectado modos B. Sin embargo, la señal resultó ser debida al polvo galáctico.
A medida que los científicos continúan buscando ondas gravitacionales primordiales en el CMB, otros están buscando las ondas directamente en los datos de ondas gravitacionales. La idea general ha sido intentar restar el "primer plano astrofísico", cualquier señal de onda gravitacional quesurge de una fuente astrofísica, como la colisión de agujeros negros, estrellas de neutrones y supernovas en explosión. Solo después de restar este primer plano astrofísico, los físicos pueden obtener una estimación de las señales no astrofísicas más silenciosas que pueden contener ondas primordiales.
El problema con estos métodos, dice Biscoveanu, es que el primer plano astrofísico contiene señales más débiles, por ejemplo, de fusiones más lejanas, que son demasiado débiles para discernir y difíciles de estimar en la resta final.
"La analogía que me gusta hacer es que, si estás en un concierto de rock, el fondo primordial es como el zumbido de las luces en el escenario, y el primer plano astrofísico es como todas las conversaciones de todas las personas que te rodean".Biscoveanu explica. "Puedes restar las conversaciones individuales hasta una cierta distancia, pero las que están muy lejos o muy débiles siguen ocurriendo, pero no puedes distinguirlas. Cuando vas a medir qué tan fuertes son las luces del escenarioestán tarareando, obtendrá esta contaminación de estas conversaciones adicionales de las que no puede deshacerse porque en realidad no puede burlarse de ellas ".
Una inyección primordial
Para su nuevo enfoque, los investigadores se basaron en un modelo para describir las "conversaciones" más obvias del primer plano astrofísico. El modelo predice el patrón de señales de ondas gravitacionales que se producirían mediante la fusión de objetos astrofísicos de diferentes masas y espinesEl equipo utilizó este modelo para crear datos simulados de patrones de ondas gravitacionales, tanto de fuentes astrofísicas fuertes como débiles, como la fusión de agujeros negros.
Luego, el equipo trató de caracterizar cada señal astrofísica que acecha en estos datos simulados, por ejemplo, para identificar las masas y espines de los agujeros negros binarios. Tal como están, estos parámetros son más fáciles de identificar para las señales más fuertes, y solo débilmente restringidos para las más suaves.Mientras que los métodos anteriores solo usan una "mejor estimación" para los parámetros de cada señal con el fin de restarla de los datos, el nuevo método tiene en cuenta la incertidumbre en cada caracterización de patrón y, por lo tanto, es capaz de discernir la presencia de laseñales más débiles, incluso si no están bien caracterizadas. Biscoveanu dice que esta capacidad para cuantificar la incertidumbre ayuda a los investigadores a evitar cualquier sesgo en su medición del fondo primordial.
Una vez que identificaron patrones no aleatorios tan distintos en los datos de ondas gravitacionales, se quedaron con más señales de ondas gravitacionales primordiales aleatorias y ruido instrumental específico para cada detector.
Se cree que las ondas gravitacionales primordiales impregnan el universo como un zumbido difuso y persistente, que según la hipótesis de los investigadores debería verse igual y, por lo tanto, estar correlacionado en dos detectores cualesquiera.
Por el contrario, el resto del ruido aleatorio recibido en un detector debe ser específico de ese detector y no estar correlacionado con otros detectores. Por ejemplo, el ruido generado por el tráfico cercano debe ser diferente según la ubicación de un detector determinado. Al compararlos datos en dos detectores después de tener en cuenta las fuentes astrofísicas dependientes del modelo, los parámetros del fondo primordial podrían extraerse.
Los investigadores probaron el nuevo método simulando primero 400 segundos de datos de ondas gravitacionales, que dispersaron con patrones de ondas que representan fuentes astrofísicas como la fusión de agujeros negros. También inyectaron una señal a través de los datos, similar al zumbido persistente de unonda gravitacional primordial.
Luego dividieron estos datos en segmentos de cuatro segundos y aplicaron su método a cada segmento, para ver si podían identificar con precisión cualquier fusión de agujeros negros, así como el patrón de la onda que inyectaron. Después de analizar cada segmento de datos sobremuchas simulaciones, y bajo diferentes condiciones iniciales, tuvieron éxito en la extracción del fondo primordial enterrado.
"Pudimos ajustar tanto el primer plano como el fondo al mismo tiempo, por lo que la señal de fondo que recibimos no está contaminada por el primer plano residual", dice Biscoveanu.
Ella espera que una vez más los detectores sensibles de la próxima generación estén en línea, el nuevo método se puede usar para correlacionar y analizar datos de dos detectores diferentes, para filtrar la señal primordial. Entonces, los científicos pueden tener un hilo útil quepuede remontarse a las condiciones del universo primitivo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :