Создан метод отслеживания первых гравитационных волн Вселенной

Сразу после Большого взрыва появились самые первые гравитационные волны. Эти самые ранние колебания в ткани пространства-времени, возникшие в результате квантовых флуктуаций в новом супе из первичной материи, быстро усилились инфляционными процессами, которые заставили Вселенную стремительно расширяться.

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

Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института, разработала метод выявления очень слабых сигналов первичной ряби на основе данных гравитационных волн. Их результаты опубликованы 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 более чувствительные инструменты, новый метод можно будет применить для обнаружения скрытых сигналов первых гравитационных волн Вселенной. Затем структура и свойства этих первичных волн могли бы дать подсказки о ранней Вселенной, например об условиях, которые привели к инфляции.

Считается, что первичные гравитационные волны пронизывают Вселенную в виде диффузного постоянного гула, который, по предположению исследователей, должен выглядеть одинаково и, следовательно, коррелироваться в любых двух детекторах.

Напротив, остальной случайный шум, полученный в детекторе, должен быть специфическим для этого детектора и не коррелировать с другими детекторами. Например, шум, создаваемый близлежащим движением, должен отличаться в зависимости от местоположения данного детектора. Сравнивая данные в двух детекторах после учета астрофизических источников, зависящих от модели, можно выявить параметры первичного фона.

Исследователи протестировали новый метод, сначала смоделировав 400 секунд данных гравитационных волн, которые они рассеяли вместе с волновыми структурами, представляющими астрофизические источники, такие как сливающиеся черные дыры. Они также вводили сигнал во все данные, похожий на постоянный гул изначальной гравитационной волны.

Затем они разделили эти данные на четырехсекундные сегменты и применили свой метод к каждому сегменту, чтобы посмотреть, могут ли они точно идентифицировать любые слияния черных дыр, а также образец волны, которую они вводили. После анализа каждого сегмента данных в ходе многих прогонов моделирования и при различных начальных условиях они успешно извлекли скрытый первозданный фон.

«Мы смогли подогнать и передний, и задний план одновременно, поэтому получаемый фоновый сигнал не загрязняется остаточным передним планом», — говорят ученые.

Они надеются, что когда появятся чувствительные детекторы следующего поколения, новый метод можно будет использовать для взаимной корреляции и анализа данных от двух разных детекторов, чтобы отсеять первичный сигнал. Тогда у ученых будет возможность проследить историю Вселенной до самых ранних времен.