Como os cientistas detectam as ondas gravitacionais do universo - Ciência Surpreendente | Pode 2021
Uma técnica para filtrar as primeiras ondas gravitacionais do universo
Identificar ondulações primordiais seria a chave para compreender as condições do universo primordial.
Foto de Denis Degioanni no Unsplash
Nos momentos imediatamente após o Big Bang, as primeiras ondas gravitacionais ecoaram.
Produto das flutuações quânticas na nova sopa de matéria primordial, essas primeiras ondulações na estrutura do espaço-tempo foram rapidamente amplificadas por processos inflacionários que levaram o universo a se expandir de forma explosiva.
As ondas gravitacionais primordiais, produzidas há quase 13,8 bilhões de anos, ainda ecoam pelo universo hoje. Mas são abafados pelo crepitar das ondas gravitacionais produzidas por eventos mais recentes, como a colisão de buracos negros e estrelas de nêutrons.
Agora, uma equipe liderada por um estudante de pós-graduação do MIT desenvolveu um método para extrair os sinais muito tênues de ondulações primordiais de dados de ondas gravitacionais. Seus resultados foram Publicados em dezembro de 2020 em Cartas de revisão física .
As ondas gravitacionais estão sendo detectadas quase diariamente pelo LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais, mas os sinais gravitacionais primordiais são várias ordens de magnitude mais fracos do que o que esses detectores podem registrar. Espera-se que a próxima geração de detectores seja sensível o suficiente para detectar essas primeiras ondulações.
Na próxima década, à medida que instrumentos mais sensíveis ficarem online, o novo método poderá ser aplicado para desenterrar sinais ocultos das primeiras ondas gravitacionais do universo. O padrão e as propriedades dessas ondas primordiais poderiam então revelar pistas sobre o universo primitivo, como as condições que impulsionaram a inflação.
'Se a força do sinal primordial está dentro da faixa do que os detectores de próxima geração podem detectar, o que pode ser, então seria uma questão de mais ou menos apenas girar a manivela dos dados, usando este método que temos desenvolvido ', diz Sylvia Biscoveanu, uma estudante de graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. 'Essas ondas gravitacionais primordiais podem nos falar sobre processos no universo primordial que de outra forma seriam impossíveis de sondar.'
Os co-autores de Biscoveanu são Colm Talbot, da Caltech, e Eric Thrane e Rory Smith, da Monash University.
Um zumbido de concerto
A caça às ondas gravitacionais primordiais concentrou-se principalmente na radiação cósmica de fundo, ou CMB, que se acredita ser a radiação que sobrou do Big Bang. Hoje, essa radiação permeia o universo como energia que é mais visível na faixa de micro-ondas do espectro eletromagnético. Os cientistas acreditam que quando as ondas gravitacionais primordiais se propagaram, elas deixaram uma marca na CMB, na forma de modos B, um tipo de padrão de polarização sutil.
Os físicos procuraram por sinais de modos B, principalmente com o BICEP Array, uma série de experimentos incluindo o BICEP2, que em 2014 os cientistas acreditavam ter detectado modos B. O sinal acabou sendo devido à poeira galáctica, no entanto.
Enquanto os cientistas continuam a procurar ondas gravitacionais primordiais na CMB, outros estão caçando as ondas diretamente nos dados das ondas gravitacionais. A ideia geral tem sido tentar subtrair o 'primeiro plano astrofísico' - qualquer sinal de onda gravitacional que surge de uma fonte astrofísica, como buracos negros em colisão, estrelas de nêutrons e supernovas em explosão. Somente depois de subtrair esse primeiro plano astrofísico, os físicos podem obter uma estimativa dos sinais não-astrofísicos mais silenciosos que podem conter ondas primordiais.
O problema com esses métodos, diz Biscoveanu, é que o primeiro plano astrofísico contém sinais mais fracos, por exemplo, de fusões mais distantes, que são muito fracos para discernir e difíceis de estimar na subtração final.
'A analogia que gosto de fazer é, se você está em um show de rock, o fundo primordial é como o zumbido das luzes no palco, e o primeiro plano astrofísico é como todas as conversas de todas as pessoas ao seu redor', explica Biscoveanu. . 'Você pode subtrair as conversas individuais até uma certa distância, mas as que estão realmente longe ou realmente fracas ainda estão acontecendo, mas você não consegue distingui-las. Quando você for medir o quão alto as luzes das estrelas estão zumbindo, você obterá essa contaminação dessas conversas extras das quais você não pode se livrar porque não pode realmente provocá-las. '
Uma injeção primordial
Para sua nova abordagem, os pesquisadores confiaram em um modelo para descrever as 'conversas' mais óbvias do primeiro plano astrofísico. O modelo prevê o padrão de sinais de ondas gravitacionais que seriam produzidos pela fusão de objetos astrofísicos de diferentes massas e spins. A equipe usou este modelo para criar dados simulados de padrões de ondas gravitacionais, de fontes astrofísicas fortes e fracas, como buracos negros em fusão.
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A equipe então tentou caracterizar todos os sinais astrofísicos ocultos nesses dados simulados, por exemplo, para identificar as massas e spins de buracos negros binários. Como estão, esses parâmetros são mais fáceis de identificar para sinais mais altos e apenas fracamente restritos para os sinais mais suaves. Enquanto os métodos anteriores usam apenas uma 'melhor estimativa' para os parâmetros de cada sinal, a fim de subtraí-lo dos dados, o novo método considera a incerteza em cada caracterização de padrão e, portanto, é capaz de discernir a presença dos sinais mais fracos , mesmo que não sejam bem caracterizados. Biscoveanu diz que essa capacidade de quantificar a incerteza ajuda os pesquisadores a evitar qualquer viés na medição do fundo primordial.
Assim que identificaram esses padrões distintos e não aleatórios nos dados de ondas gravitacionais, eles ficaram com sinais de ondas gravitacionais primordiais mais aleatórios e ruído instrumental específico para cada detector.
Acredita-se que as ondas gravitacionais primordiais permeiem o universo como um zumbido difuso e persistente, que os pesquisadores supuseram que deveria ser o mesmo e, portanto, estar correlacionado em quaisquer dois detectores.
Em contraste, o resto do ruído aleatório recebido em um detector deve ser específico para aquele detector e não correlacionado com outros detectores. Por exemplo, o ruído gerado pelo tráfego próximo deve ser diferente dependendo da localização de um determinado detector. Ao comparar os dados em dois detectores depois de considerar as fontes astrofísicas dependentes do modelo, os parâmetros do fundo primordial puderam ser extraídos.
Os pesquisadores testaram o novo método simulando primeiro 400 segundos de dados de ondas gravitacionais, que eles espalharam com padrões de onda que representam fontes astrofísicas, como buracos negros em fusão. Eles também injetaram um sinal em todos os dados, semelhante ao zumbido persistente de uma onda gravitacional primordial.
Eles então dividiram esses dados em segmentos de quatro segundos e aplicaram seu método a cada segmento, para ver se eles poderiam identificar com precisão quaisquer fusões de buraco negro, bem como o padrão da onda que eles injetaram. Depois de analisar cada segmento de dados ao longo de muitas simulações, e sob várias condições iniciais, eles foram bem-sucedidos em extrair o fundo primordial enterrado.
"Conseguimos ajustar o primeiro e o segundo plano ao mesmo tempo, de modo que o sinal de segundo plano que recebemos não foi contaminado pelo primeiro plano residual", diz Biscoveanu.
Ela espera que, mais uma vez, os detectores sensíveis da próxima geração fiquem online, o novo método possa ser usado para correlacionar e analisar dados de dois detectores diferentes, para filtrar o sinal primordial. Então, os cientistas podem ter uma linha útil que eles podem rastrear até as condições do universo primordial.