Eine Methode zur Verfolgung der ersten Gravitationswellen des Universums wurde entwickelt
Unmittelbar nach dem Urknall traten die ersten Gravitationswellen auf. Diese frühesten Schwankungen in der Struktur der Raumzeit, die sich aus Quantenschwankungen in der neuen Suppe der Urmaterie ergaben, wurden durch Inflationsprozesse, die eine schnelle Expansion des Universums verursachten, schnell verstärkt.
Die ursprünglichen Gravitationswellen, die vor fast 13,8 Milliarden Jahren entstanden sind, hallten immer noch im gesamten Universum wider. Sie werden jedoch durch das Rauschen von Gravitationswellen übertönt, das durch jüngste Ereignisse wie die Kollision von Schwarzen Löchern und Neutronensternen verursacht wird.
Jetzt hat ein Forscherteam am MIT eine Methode zur Erkennung sehr schwacher primärer Welligkeitssignale basierend auf Gravitationswellendaten entwickelt. Ihre Ergebnisse werden in Physical Review Letters veröffentlicht.
Gravitationswellen werden fast täglich von LIGO und anderen Gravitationswellendetektoren erfasst, aber die primären Gravitationssignale sind um Größenordnungen schwächer als diejenigen, die diese Detektoren erfassen können. Es wird erwartet, dass die nächste Generation von Detektoren empfindlich genug ist, um diese frühesten Wellen zu erfassen.
In den nächsten zehn Jahren, wenn empfindlichere Instrumente verfügbar werden, kann die neue Methode angewendet werden, um verborgene Signale von den ersten Gravitationswellen des Universums zu erkennen. Die Struktur und Eigenschaften dieser Urwellen könnten dann Hinweise auf das frühe Universum liefern, beispielsweise auf die Bedingungen, die zur Inflation führten.
Es wird angenommen, dass primäre Gravitationswellen das Universum in Form eines diffusen konstanten Brummens durchdringen, das nach Ansicht der Forscher gleich aussehen und daher in zwei beliebigen Detektoren korrelieren sollte.
Im Gegensatz dazu sollte der Rest des zufälligen Rauschens, das in einem Detektor erzeugt wird, spezifisch für diesen Detektor sein und nicht mit anderen Detektoren korreliert sein. Beispielsweise sollte das durch den Verkehr in der Nähe erzeugte Rauschen je nach Standort des jeweiligen Detektors unterschiedlich sein. Durch Vergleichen der Daten in zwei Detektoren nach Berücksichtigung der astrophysikalischen Quellen in Abhängigkeit vom Modell ist es möglich, die Parameter des primären Hintergrunds aufzudecken.
Die Forscher testeten die neue Methode, indem sie zunächst 400 Sekunden Gravitationswellendaten simulierten, die sie zusammen mit Wellenstrukturen streuten, die astrophysikalische Quellen wie das Zusammenführen von Schwarzen Löchern darstellen. Sie injizierten auch ein Signal in alle Daten, ähnlich dem konstanten Brummen der ursprünglichen Gravitationswelle.
Anschließend teilten sie diese Daten in Vier-Sekunden-Segmente auf und wendeten ihre Methode auf jedes Segment an, um festzustellen, ob sie Fusionen von Schwarzen Löchern sowie das von ihnen injizierte Wellenmuster genau identifizieren konnten. Nachdem sie jedes Segment der Daten über viele Simulationsläufe und unter verschiedenen Anfangsbedingungen analysiert hatten, konnten sie den verborgenen unberührten Hintergrund erfolgreich abrufen.
„Wir konnten sowohl den Vordergrund als auch den Hintergrund gleichzeitig anpassen, sodass das empfangene Hintergrundsignal nicht durch den verbleibenden Vordergrund verschmutzt wird“, sagen die Wissenschaftler.
Sie hoffen, dass mit der neuen Technik, wenn die nächste Generation empfindlicher Detektoren verfügbar wird, Daten von zwei verschiedenen Detektoren kreuzkorreliert und analysiert werden können, um das Primärsignal herauszufiltern. Dann haben Wissenschaftler die Möglichkeit, die Geschichte des Universums bis in die frühesten Zeiten zu verfolgen.