I ögonblicken omedelbart efter Big Bang, de allra första gravitationsvågorna ringde ut. Produkten av kvantfluktuationer i den nya soppan av urmateria, dessa tidigaste krusningar genom rymdtidens struktur förstärktes snabbt av inflationsprocesser som drev universum att explosivt expandera.

Ursprungliga gravitationsvågor, producerades för nästan 13,8 miljarder år sedan, ekar fortfarande genom universum idag. Men de dränks av sprakande gravitationsvågor som produceras av nyare händelser, som kolliderande svarta hål och neutronstjärnor.

Nu har ett team ledd av en doktorand vid MIT utvecklat en metod för att reta ut de mycket svaga signalerna från primordiala krusningar från gravitationsvågdata. Deras resultat publiceras idag i Fysiska granskningsbrev .

Gravitationsvågor detekteras nästan dagligen av LIGO och andra gravitationsvågsdetektorer, men primordiala gravitationssignaler är flera storleksordningar svagare än vad dessa detektorer kan registrera. Det förväntas att nästa generation av detektorer kommer att vara tillräckligt känsliga för att fånga upp dessa tidigaste krusningar.

Under nästa decennium, när mer känsliga instrument kommer online, den nya metoden skulle kunna användas för att gräva upp dolda signaler från universums första gravitationsvågor. Mönstret och egenskaperna hos dessa urvågor kan sedan avslöja ledtrådar om det tidiga universum, till exempel de förhållanden som drev inflationen.

"Om styrkan på ursignalen ligger inom intervallet för vad nästa generations detektorer kan upptäcka, vilket det kan vara, då skulle det vara en fråga om att mer eller mindre bara vrida på datat, med den här metoden vi har utvecklat, säger Sylvia Biscoveanu, en doktorand vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Dessa urgravitationsvågor kan sedan berätta för oss om processer i det tidiga universum som annars är omöjliga att undersöka."

Biscoveanus medförfattare är Colm Talbot från Caltech, och Eric Thrane och Rory Smith från Monash University.

Ett konsertbrum

Jakten på urgravitationsvågor har främst koncentrerats på den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, som tros vara strålning som är överbliven från Big Bang. Idag genomsyrar denna strålning universum som energi som är mest synlig i mikrovågsbandet i det elektromagnetiska spektrumet. Forskare tror att när primordiala gravitationsvågor skvalpade ut, de lämnade ett avtryck på CMB, i form av B-lägen, en typ av subtilt polarisationsmönster.

Fysiker har letat efter tecken på B-lägen, mest känd med BICEP Array, en serie experiment inklusive BICEP2, som 2014 forskare trodde hade upptäckt B-lägen. Signalen visade sig bero på galaktiskt damm, dock.

När forskare fortsätter att leta efter primordiala gravitationsvågor i CMB, andra jagar krusningarna direkt i gravitationsvågdata. Den allmänna idén har varit att försöka subtrahera bort den "astrofysiska förgrunden" - vilken gravitationsvågssignal som helst som uppstår från en astrofysisk källa, som kolliderande svarta hål, neutronstjärnor, och exploderande supernovor. Först efter att ha subtraherat denna astrofysiska förgrund kan fysiker få en uppskattning av den tystare, icke-astrofysiska signaler som kan innehålla urvågor.

Problemet med dessa metoder, Biscoveanu säger, är att den astrofysiska förgrunden innehåller svagare signaler, till exempel från längre bort fusioner, som är för svaga att urskilja och svåra att uppskatta i den slutliga subtraktionen.

"Den analogi jag gillar att göra är, om du är på en rockkonsert, den ursprungliga bakgrunden är som brummandet av ljusen på scenen, och den astrofysiska förgrunden är som alla samtal från alla människor runt omkring dig, " förklarar Biscoveanu. "Du kan subtrahera de enskilda samtalen upp till ett visst avstånd, men då händer fortfarande de som är riktigt långt borta eller som verkligen är svaga, men du kan inte skilja dem åt. När du går för att mäta hur högt scenljuset surrar, du kommer att få den här kontamineringen från dessa extra konversationer som du inte kan bli av med eftersom du faktiskt inte kan reta dem."

En primordial injektion

För deras nya tillvägagångssätt, forskarna förlitade sig på en modell för att beskriva de mer uppenbara "konversationerna" i den astrofysiska förgrunden. Modellen förutsäger mönstret av gravitationsvågsignaler som skulle produceras genom sammanslagning av astrofysiska objekt med olika massor och spinn. Teamet använde denna modell för att skapa simulerade data av gravitationsvågmönster, av både starka och svaga astrofysiska källor som sammanslagna svarta hål.

Teamet försökte sedan karakterisera varje astrofysisk signal som lurar i dessa simulerade data, till exempel för att identifiera massorna och spinn av binära svarta hål. I befintligt skick, dessa parametrar är lättare att identifiera för starkare signaler, och endast svagt begränsad för de mjukaste signalerna. Medan tidigare metoder bara använder en "bästa gissning" för parametrarna för varje signal för att subtrahera den från data, den nya metoden tar hänsyn till osäkerheten i varje mönsterkarakterisering, och kan således urskilja närvaron av de svagaste signalerna, även om de inte är välkarakteriserade. Biscoveanu säger att denna förmåga att kvantifiera osäkerhet hjälper forskarna att undvika fördomar i deras mätning av den ursprungliga bakgrunden.

När de väl identifierade sådana distinkta, icke-slumpmässiga mönster i gravitationsvågdata, de lämnades med mer slumpmässiga primordiala gravitationsvågsignaler och instrumentellt brus specifikt för varje detektor.

Ursprungliga gravitationsvågor tros genomsyra universum som en diffus, ihållande hum, som forskarna antog skulle se likadana ut, och därmed vara korrelerad, i två valfria detektorer.

I kontrast, resten av det slumpmässiga bruset som tas emot i en detektor bör vara specifikt för den detektorn, och okorrelerade med andra detektorer. Till exempel, buller som genereras från närliggande trafik bör vara olika beroende på var en given detektor finns. Genom att jämföra data i två detektorer efter att ha tagit hänsyn till de modellberoende astrofysiska källorna, parametrarna för den ursprungliga bakgrunden kunde retas ut.

Forskarna testade den nya metoden genom att först simulera 400 sekunders gravitationsvågdata, som de spred med vågmönster som representerade astrofysiska källor som sammansmältande svarta hål. De injicerade också en signal genom hela datan, liknar det ihållande brummandet av en urgravitationsvåg.

De delade sedan upp dessa data i fyra sekunder långa segment och tillämpade sin metod på varje segment, för att se om de exakt kunde identifiera eventuella sammanslagningar av svarta hål samt mönstret för den våg som de injicerade. Efter att ha analyserat varje segment av data under många simuleringskörningar, och under varierande initiala förhållanden, de lyckades utvinna de begravda, ursprunglig bakgrund.

"Vi kunde passa både förgrunden och bakgrunden samtidigt, så att bakgrundssignalen vi får inte är förorenad av den kvarvarande förgrunden, " säger Biscoveanu.

Hon hoppas att ännu en gång känslig, nästa generations detektorer kommer online, den nya metoden kan användas för att korskorrelera och analysera data från två olika detektorer, att sålla bort ursignalen. Sedan, forskare kan ha en användbar tråd som de kan spåra tillbaka till förhållandena i det tidiga universum.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.