Identificar ondas primordiales sería clave para comprender las condiciones del universo temprano

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 llevaron al universo a expandirse explosivamente.

Las ondas gravitacionales primordiales, producidas hace casi 13.800 millones de años, todavía resuenan en el universo de hoy. Pero son ahogados 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 están siendo 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 sensible como para detectar estas primeras ondas.

En la próxima década, a medida que se conecten 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, como 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, utilizando este método que 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 otra manera 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 cósmico de microondas, o CMB, que se cree que es la radiación que queda del Big Bang. Hoy, 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 signos 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 deberse 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 que surja de una fuente astrofísica, como agujeros negros en colisión, 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”, explica Biscoveanu. . “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 fuerte están tarareando las luces del escenario, 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 por la fusión de objetos astrofísicos de diferentes masas y espines. El 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 intentó 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 señales más fuertes, y solo están débilmente restringidos para las señales más suaves. Si bien los métodos anteriores solo utilizan 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, puede discernir la presencia de las señales más débiles. , incluso si no están bien caracterizados. 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 tener el mismo aspecto 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 correlacionado con otros detectores. Por ejemplo, el ruido generado por el tráfico cercano debe ser diferente según la ubicación de un detector determinado. Al comparar los datos en dos detectores después de tener en cuenta las fuentes astrofísicas dependientes del modelo, se podrían extraer los parámetros del fondo primordial.

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 una onda 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 a lo largo de muchas ejecuciones de simulación y en condiciones iniciales variables, lograron extraer el fondo primordial enterrado.

“Pudimos ajustar tanto el primer plano como el fondo al mismo tiempo, por lo que la señal de fondo que obtenemos no está contaminada por el primer plano residual”, dice Biscoveanu.

Ella espera que una vez que los detectores sensibles de próxima generación estén en línea, el nuevo método se pueda utilizar para correlacionar y analizar datos de dos detectores diferentes, para filtrar la señal primordial. Entonces, los científicos pueden tener un hilo útil que puedan rastrear hasta las condiciones del universo temprano.

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