Nos momentos imediatamente após o Big Bang, as primeiras ondas gravitacionais ressoaram. O 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.

Ondas gravitacionais primordiais, produzido há quase 13,8 bilhões de anos, ainda ecoa pelo universo hoje. Mas eles são abafados pelo crepitar das ondas gravitacionais produzidas por eventos mais recentes, como buracos negros em colisão 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 são publicados hoje 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 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 ficam online, o novo método poderia 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 primordial, como as condições que impulsionaram a inflação.

"Se a intensidade do sinal primordial estiver dentro da faixa que os detectores de próxima geração podem detectar, qual pode ser, então seria mais ou menos apenas girar a manivela dos dados, usando este método que desenvolvemos, "diz Sylvia Biscoveanu, um estudante de pós-graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. "Essas ondas gravitacionais primordiais podem nos falar sobre processos no início do universo 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 busca por ondas gravitacionais primordiais tem se concentrado principalmente na radiação cósmica de fundo, ou CMB, que se pensa 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, eles deixaram uma marca no CMB, na forma de modos B, um tipo de padrão de polarização sutil.

Os físicos têm procurado sinais de modos B, mais famoso com o Array BICEP, uma série de experimentos, incluindo BICEP2, que em 2014 os cientistas acreditavam ter detectado os modos B. O sinal acabou sendo devido à poeira galáctica, Contudo.

Enquanto os cientistas continuam a procurar ondas gravitacionais primordiais na CMB, outros estão caçando ondulações 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 explodindo. Só depois de subtrair este primeiro plano astrofísico os físicos podem obter uma estimativa do mais silencioso, sinais não gastrofísicos que podem conter ondas primordiais.

O problema com esses métodos, Biscoveanu diz, 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, "Biscoveanu explica." Você pode subtrair as conversas individuais até uma certa distância, mas então os que estão realmente longe ou muito fracos ainda estão acontecendo, mas você não pode distingui-los. Quando você vai medir o quão alto as luzes das estrelas estão zumbindo, você obterá essa contaminação dessas conversas extras das quais 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 a fusão de buracos negros.

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 é, esses parâmetros são mais fáceis de identificar para sinais mais altos, e apenas fracamente restrito para os sinais mais suaves. Embora os métodos anteriores usem apenas uma "melhor estimativa" para os parâmetros de cada sinal, a fim de subtraí-lo dos dados, o novo método leva em conta 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.

Uma vez que eles identificaram tais distintos, padrões não aleatórios em dados de ondas gravitacionais, eles ficaram com mais sinais de ondas gravitacionais primordiais aleatórios e ruído instrumental específico para cada detector.

Acredita-se que as ondas gravitacionais primordiais permeiam o universo como uma forma difusa, zumbido persistente, que os pesquisadores supuseram que deveria ter a mesma aparência, e assim ser correlacionado, em quaisquer dois detectores.

Em contraste, o resto do ruído aleatório recebido em um detector deve ser específico para esse 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 após considerar as fontes astrofísicas dependentes do modelo, os parâmetros do pano de fundo primordial podiam ser extraídos.

Os pesquisadores testaram o novo método simulando primeiro 400 segundos de dados de ondas gravitacionais, que eles espalharam com padrões de ondas 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 buracos negros, bem como o padrão da onda que eles injetaram. Depois de analisar cada segmento de dados em muitas execuções de simulação, e sob condições iniciais variáveis, eles tiveram sucesso em extrair o enterrado, fundo primordial.

"Conseguimos ajustar o primeiro e o segundo plano ao mesmo tempo, para que o sinal de fundo que recebemos não seja contaminado pelo primeiro plano residual, "Biscoveanu diz.

Ela espera que mais uma vez sensível, detectores de última geração ficam online, o novo método pode 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 podem remontar às condições do universo primordial.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.