Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation sollten in der Lage sein, die Urwellen des Urknalls zu sehen

Die Gravitationswellenastronomie steckt noch in ihrer Jugend. Aus diesem Grund stammen die Gravitationswellen, die wir beobachten können, von mächtigen katastrophalen Ereignissen. Schwarze Löcher, die sich gegenseitig in einem heftigen Zirpen der Raumzeit verzehren, oder Neutronensterne, die in einer gewaltigen Explosion kollidieren. Bald könnten wir die Gravitationswellen von Supernovae oder supermassiven Schwarzen Löchern beobachten, die Milliarden von Lichtjahren entfernt verschmelzen. Aber unter der Kakophonie verbirgt sich eine ganz andere Gravitationswelle. Aber wenn wir sie entdecken können, werden sie uns helfen, eines der tiefsten kosmologischen Geheimnisse zu lösen.

Sie sind als ursprüngliche Gravitationswellen bekannt, und während sie sich im Herzen des Urknalls gebildet haben, ist ihre Intensität zu einem schwachen Summen abgeklungen. Es ist dem kosmischen Mikrowellenhintergrund sehr ähnlich, der von überall im Universum gesehen werden kann, aber im Vergleich zu den energetischen Lichtquellen, die wir jeden Tag sehen, praktisch unsichtbar.

Himmelskarte von BICEP2. Bildnachweis: BICEP2-Kollaboration

Da diese Gravitationswellen so schwach sind, konzentrierten sich die meisten Bemühungen, sie zu entdecken, auf ihre Wirkung auf das Licht. Nach dem Standardmodell der Kosmologie sollten primordiale Gravitationswellen die Orientierung des Lichts leicht verdrehen, wenn es sich durch den Weltraum bewegt. Daher sollte Licht aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund a Polarisation im B-Modus. Das Problem dabei ist, dass auch andere Dinge wie Staub eine B-Mode-Polarisation im CMB induzieren können. Es ist leicht, die beiden zu verwechseln, wie man gesehen hat, als die BICEP2-Kollaboration behauptete, sie entdeckt zu haben mussten ihre Ergebnisse etwas zurücklegen.

Obwohl es immer noch möglich ist, Primordialwellen durch das CMB zu detektieren, wäre es jetzt, da wir Gravitationswellen detektieren können, schön, Primordialwellen direkt zu detektieren. Eine neue Forschungsgruppe glaubt, einen Weg dafür gefunden zu haben. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht inPhysische Überprüfungsschreiben, und es zeigt, wie wir sein Signal aus gewaltigem Rauschen herausziehen können.

Es gibt viele Gravitationswellenquellen. Bildnachweis: Christopher Moore, Robert Cole und Christopher Berry

Ihr Prozess ist das Gegenteil von dem, was normalerweise bei der Tonaufnahme gemacht wird. Wenn Sie ein anhaltendes Hintergrundbrummen haben, nehmen Sie normalerweise die Umgebungsgeräusche des Raums auf und ziehen sie dann von Ihrer Aufnahme ab. Um Gravitationswellen zu erkennen, schlägt das Team vor, die lauten Signale zu entfernen, um das schwache Summen zu hören. Sie erstellten ein Modell eines durchschnittlichen Gesamtsignals von Ereignissen wie Supernovae und Verschmelzungen schwarzer Löcher. Zieht man dies von den Gravitationswellendaten ab, die wir sammeln, sollte ein Haufen zufälliger Geräusche übrig bleiben. Der größte Teil dieses Rauschens würde durch die zufälligen Fluktuationen des Gravitationswellendetektors selbst verursacht. Aber wir haben jetzt mehrere Gravitationswellen-Observatorien, und das zufällige Rauschen von jedem von ihnen ist anders. Daher schlägt das Team vor, Lärmdaten von mehreren Observatorien zu vergleichen und all das Rauschen zu subtrahieren, das zwischen ihnen nicht üblich ist. Da primordiale Gravitationswellen über alle Observatorien hinweg das gleiche Signal haben sollten, sollte das gemeinsame „Rauschen“ das primordiale Signal sein.

Das Team hat gezeigt, dass dies in Simulationen funktionieren kann. Das einzige Problem ist, dass aktuelle Observatorien so laut sind, dass diese Methode nicht verwendet werden kann. Wenn neue, empfindlichere Observatorien online gehen, könnte diese Methode verwendet werden, um ursprüngliche Gravitationswellen nachzuweisen.

Wenn diese Methode erfolgreich ist, wäre dies ein enormer Segen für Astronomen. Im Moment geht das kosmologische Standardmodell davon aus, dass es im frühen Universum eine Periode schneller Inflation gab. Diese Annahme löst viele der Probleme der frühen Kosmologie, bleibt aber hypothetisch. Aber wenn das Inflationsmodell richtig ist, würden die ursprünglichen Gravitationswellen ihre Signatur tragen. Sie zu entdecken, würde entweder unseren Verdacht bezüglich des Urknalls bestätigen oder uns auf erstaunliche neue Theorien hinweisen.

Referenz:Biscoveanu, Sylvia et al. ' Messung des primordialen Gravitationswellen-Hintergrunds in Gegenwart astrophysikalischer Vordergrund . 'Physische Überprüfungsschreiben125,24 (2020): 241101.