In de ogenblikken onmiddellijk na de oerknal, de allereerste zwaartekrachtsgolven klonken. Het product van kwantumfluctuaties in de nieuwe soep van oermaterie, deze vroegste rimpelingen door het weefsel van de ruimte-tijd werden snel versterkt door inflatoire processen die het universum ertoe brachten explosief uit te breiden.

Primordiale zwaartekrachtsgolven, bijna 13,8 miljard jaar geleden geproduceerd, nog steeds echo door het universum vandaag. Maar ze worden overstemd door het geknetter van zwaartekrachtsgolven geproduceerd door recentere gebeurtenissen, zoals botsende zwarte gaten en neutronensterren.

Nu heeft een team onder leiding van een afgestudeerde MIT-student een methode ontwikkeld om de zeer zwakke signalen van oerrimpelingen uit zwaartekrachtsgolfgegevens te halen. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Vrijwel dagelijks worden zwaartekrachtgolven gedetecteerd door LIGO en andere zwaartekrachtgolfdetectoren, maar oer-zwaartekrachtsignalen zijn enkele ordes van grootte zwakker dan wat deze detectoren kunnen registreren. De verwachting is dat de volgende generatie detectoren gevoelig genoeg zal zijn om deze vroegste rimpelingen op te vangen.

In het volgende decennium zal naarmate er meer gevoelige instrumenten online komen, de nieuwe methode zou kunnen worden toegepast om verborgen signalen van de eerste zwaartekrachtsgolven van het universum op te graven. Het patroon en de eigenschappen van deze oergolven zouden dan aanwijzingen kunnen geven over het vroege heelal, zoals de omstandigheden die de inflatie veroorzaakten.

"Als de sterkte van het oersignaal binnen het bereik ligt van wat de volgende generatie detectoren kunnen detecteren, wat het zou kunnen zijn, dan zou het een kwestie zijn van min of meer gewoon de kruk op de data draaien, met behulp van deze methode die we hebben ontwikkeld, " zegt Sylvia Biscoveanu, een afgestudeerde student aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Deze oer-gravitatiegolven kunnen ons dan vertellen over processen in het vroege heelal die anders onmogelijk te onderzoeken zijn."

Biscoveanu's co-auteurs zijn Colm Talbot van Caltech, en Eric Thrane en Rory Smith van de Monash University.

Een concerthumeur

De jacht op oer-gravitatiegolven heeft zich voornamelijk geconcentreerd op de kosmische microgolfachtergrond, of CMB, waarvan wordt gedacht dat het straling is die is overgebleven van de oerknal. Tegenwoordig doordringt deze straling het heelal als energie die het meest zichtbaar is in de microgolfband van het elektromagnetische spectrum. Wetenschappers geloven dat toen oer-zwaartekrachtsgolven uit golfden, ze lieten een afdruk achter op de CMB, in de vorm van B-modi, een soort subtiel polarisatiepatroon.

Natuurkundigen hebben gezocht naar tekenen van B-modi, het meest bekend met de BICEP-array, een reeks experimenten, waaronder BICEP2, waarvan wetenschappers in 2014 dachten dat ze B-modi hadden gedetecteerd. Het signaal bleek afkomstig te zijn van galactisch stof, echter.

Terwijl wetenschappers blijven zoeken naar oer-gravitatiegolven in de CMB, anderen jagen rechtstreeks op de rimpelingen in zwaartekrachtsgolfgegevens. Het algemene idee was om te proberen de 'astrofysische voorgrond' af te trekken - elk zwaartekrachtgolfsignaal dat voortkomt uit een astrofysische bron, zoals botsende zwarte gaten, neutronensterren, en exploderende supernova's. Pas na het aftrekken van deze astrofysische voorgrond kunnen natuurkundigen een schatting krijgen van de stillere, niet-astrofysische signalen die oergolven kunnen bevatten.

Het probleem met deze methoden, Biscoveanu zegt, is dat de astrofysische voorgrond zwakkere signalen bevat, bijvoorbeeld van verder weg gelegen fusies, die te zwak zijn om te onderscheiden en moeilijk te schatten bij de uiteindelijke aftrekking.

"De analogie die ik graag maak is, als je bij een rockconcert bent, de oerachtergrond is als het gezoem van de lichten op het podium, en de astrofysische voorgrond is zoals alle gesprekken van alle mensen om je heen, " legt Biscoveanu uit. "Je kunt de individuele gesprekken tot een bepaalde afstand aftrekken, maar dan zijn degenen die echt ver weg zijn of echt zwak zijn nog steeds aan de gang, maar je kunt ze niet onderscheiden. Als je gaat meten hoe hard de toneellichten zoemen, je krijgt deze besmetting van deze extra gesprekken waar je niet vanaf kunt komen omdat je ze niet echt kunt plagen."

Een primordiale injectie

Voor hun nieuwe aanpak de onderzoekers vertrouwden op een model om de meer voor de hand liggende "gesprekken" van de astrofysische voorgrond te beschrijven. Het model voorspelt het patroon van zwaartekrachtsgolfsignalen die zouden worden geproduceerd door het samensmelten van astrofysische objecten van verschillende massa's en spins. Het team gebruikte dit model om gesimuleerde gegevens van zwaartekrachtgolfpatronen te creëren, van zowel sterke als zwakke astrofysische bronnen zoals samensmeltende zwarte gaten.

Het team probeerde vervolgens elk astrofysisch signaal dat op de loer lag in deze gesimuleerde gegevens te karakteriseren. bijvoorbeeld om de massa's en spins van binaire zwarte gaten te identificeren. zoals het is, deze parameters zijn gemakkelijker te identificeren voor luidere signalen, en slechts zwak beperkt voor de zachtste signalen. Terwijl eerdere methoden alleen een "beste gok" gebruiken voor de parameters van elk signaal om het van de gegevens af te trekken, de nieuwe methode houdt rekening met de onzekerheid in elke patroonkarakterisering, en kan zo de aanwezigheid van de zwakste signalen onderscheiden, zelfs als ze niet goed gekarakteriseerd zijn. Biscoveanu zegt dat dit vermogen om onzekerheid te kwantificeren de onderzoekers helpt om vertekening in hun meting van de oorspronkelijke achtergrond te voorkomen.

Zodra ze zulke verschillende identificeerden, niet-willekeurige patronen in zwaartekrachtgolfgegevens, ze bleven achter met meer willekeurige oer-gravitatiegolfsignalen en instrumentele ruis die specifiek is voor elke detector.

Aangenomen wordt dat oer-gravitatiegolven het heelal doordringen als een diffuus, aanhoudend gezoem, waarvan de onderzoekers veronderstelden dat ze er hetzelfde uit zouden moeten zien, en dus gecorreleerd zijn, in twee willekeurige detectoren.

In tegenstelling tot, de rest van de willekeurige ruis die in een detector wordt ontvangen, moet specifiek zijn voor die detector, en ongecorreleerd met andere detectoren. Bijvoorbeeld, geluid dat wordt gegenereerd door verkeer in de buurt, moet verschillen afhankelijk van de locatie van een bepaalde detector. Door de gegevens in twee detectoren te vergelijken na rekening te hebben gehouden met de modelafhankelijke astrofysische bronnen, de parameters van de oerachtergrond zouden kunnen worden geplaagd.

De onderzoekers testten de nieuwe methode door eerst 400 seconden aan zwaartekrachtsgolfgegevens te simuleren, die ze verstrooiden met golfpatronen die astrofysische bronnen vertegenwoordigen, zoals samensmeltende zwarte gaten. Ze injecteerden ook een signaal door de gegevens heen, vergelijkbaar met het aanhoudende gezoem van een oorspronkelijke zwaartekrachtgolf.

Ze splitsten deze gegevens vervolgens op in segmenten van vier seconden en pasten hun methode op elk segment toe. om te zien of ze eventuele samensmeltingen van zwarte gaten nauwkeurig konden identificeren, evenals het patroon van de golf die ze injecteerden. Na analyse van elk gegevenssegment gedurende vele simulatieruns, en onder wisselende beginomstandigheden, ze waren succesvol in het extraheren van de begraven, oorspronkelijke achtergrond.

"We waren in staat om zowel de voorgrond als de achtergrond tegelijkertijd te laten passen, dus het achtergrondsignaal dat we krijgen is niet verontreinigd door de resterende voorgrond, ' zegt Biscoveanu.

Ze hoopt dat eens gevoeliger, detectoren van de volgende generatie komen online, de nieuwe methode kan worden gebruikt om gegevens van twee verschillende detectoren te correleren en te analyseren, om het oersignaal uit te filteren. Vervolgens, wetenschappers hebben misschien een bruikbare draad die ze kunnen herleiden tot de omstandigheden van het vroege universum.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.