Nei momenti immediatamente successivi al Big Bang, risuonarono le primissime onde gravitazionali. Il prodotto delle fluttuazioni quantistiche nel nuovo brodo di materia primordiale, queste prime increspature nel tessuto dello spazio-tempo furono rapidamente amplificate da processi inflazionistici che spinsero l'universo a espandersi in modo esplosivo.

Onde gravitazionali primordiali, prodotto quasi 13,8 miliardi di anni fa, echeggiano ancora oggi nell'universo. Ma sono soffocati dal crepitio delle onde gravitazionali prodotto da eventi più recenti, come la collisione di buchi neri e stelle di neutroni.

Ora un team guidato da uno studente laureato del MIT ha sviluppato un metodo per estrarre i segnali molto deboli delle increspature primordiali dai dati delle onde gravitazionali. I loro risultati sono pubblicati oggi in Lettere di revisione fisica .

Le onde gravitazionali vengono rilevate quasi quotidianamente da LIGO e da altri rilevatori di onde gravitazionali, ma i segnali gravitazionali primordiali sono diversi ordini di grandezza più deboli di quanto questi rivelatori possano registrare. Si prevede che la prossima generazione di rivelatori sarà abbastanza sensibile da rilevare queste prime increspature.

Nel decennio successivo, man mano che gli strumenti più sensibili vengono online, il nuovo metodo potrebbe essere applicato per scovare segnali nascosti delle prime onde gravitazionali dell'universo. Il modello e le proprietà di queste onde primordiali potrebbero quindi rivelare indizi sull'universo primordiale, come le condizioni che hanno spinto l'inflazione.

"Se la forza del segnale primordiale è all'interno della gamma di ciò che i rivelatori di prossima generazione possono rilevare, quale potrebbe essere, allora si tratterebbe più o meno di girare la manovella sui dati, usando questo metodo che abbiamo sviluppato, "dice Sylvia Biscoveanu, uno studente laureato al Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Queste onde gravitazionali primordiali possono quindi parlarci di processi nell'universo primordiale che altrimenti sarebbero impossibili da sondare".

I coautori di Biscoveanu sono Colm Talbot di Caltech, ed Eric Thrane e Rory Smith della Monash University.

Un concerto hum

La caccia alle onde gravitazionali primordiali si è concentrata principalmente sul fondo cosmico a microonde, o CMB, che si pensa sia la radiazione residua del Big Bang. Oggi questa radiazione permea l'universo come energia più visibile nella banda delle microonde dello spettro elettromagnetico. Gli scienziati credono che quando le onde gravitazionali primordiali si sono propagate, hanno lasciato un'impronta sulla CMB, sotto forma di B-mode, un tipo di sottile schema di polarizzazione.

I fisici hanno cercato segni di B-modes, più famoso con l'array BICEP, una serie di esperimenti tra cui BICEP2, che nel 2014 gli scienziati credevano di aver rilevato i B-mode. Il segnale si è rivelato dovuto alla polvere galattica, però.

Mentre gli scienziati continuano a cercare onde gravitazionali primordiali nel CMB, altri stanno cercando le increspature direttamente nei dati delle onde gravitazionali. L'idea generale è stata quella di cercare di sottrarre il "primo piano astrofisico" - qualsiasi segnale di onda gravitazionale che nasce da una sorgente astrofisica, come la collisione di buchi neri, stelle di neutroni, e l'esplosione di supernove. Solo dopo aver sottratto questo primo piano astrofisico i fisici possono ottenere una stima del più silenzioso, segnali non astrofisici che possono contenere onde primordiali.

Il problema con questi metodi, Biscoveanu dice, è che il primo piano astrofisico contiene segnali più deboli, per esempio da fusioni più lontane, troppo deboli da discernere e difficili da stimare nella sottrazione finale.

"L'analogia che mi piace fare è, se sei a un concerto rock, lo sfondo primordiale è come il ronzio delle luci sul palco, e il primo piano astrofisico è come tutte le conversazioni di tutte le persone intorno a te, " Spiega Biscoveanu. "Puoi sottrarre le singole conversazioni fino a una certa distanza, ma poi quelli che sono davvero lontani o molto deboli continuano a succedere, ma non puoi distinguerli. Quando vai a misurare quanto forte ronzano le luci del palcoscenico, otterrai questa contaminazione da queste conversazioni extra di cui non puoi liberarti perché non puoi davvero prenderle in giro".

Un'iniezione primordiale

Per il loro nuovo approccio, i ricercatori si sono basati su un modello per descrivere le "conversazioni" più ovvie del primo piano astrofisico. Il modello prevede il modello dei segnali delle onde gravitazionali che verrebbero prodotti dalla fusione di oggetti astrofisici di diverse masse e spin. Il team ha utilizzato questo modello per creare dati simulati di modelli di onde gravitazionali, di sorgenti astrofisiche sia forti che deboli come la fusione dei buchi neri.

Il team ha quindi cercato di caratterizzare ogni segnale astrofisico in agguato in questi dati simulati, ad esempio per identificare le masse e gli spin dei buchi neri binari. Come è, questi parametri sono più facili da identificare per segnali più forti, e solo debolmente vincolato per i segnali più deboli. Mentre i metodi precedenti utilizzano solo una "migliore ipotesi" per i parametri di ciascun segnale al fine di sottrarlo dai dati, il nuovo metodo tiene conto dell'incertezza in ogni caratterizzazione del modello, ed è così in grado di discernere la presenza dei segnali più deboli, anche se non ben caratterizzati. Biscoveanu afferma che questa capacità di quantificare l'incertezza aiuta i ricercatori a evitare qualsiasi distorsione nella misurazione dello sfondo primordiale.

Una volta individuati tali distinti, modelli non casuali nei dati di onde gravitazionali, sono stati lasciati con segnali di onde gravitazionali primordiali più casuali e rumore strumentale specifico per ciascun rivelatore.

Si ritiene che le onde gravitazionali primordiali permeino l'universo come un diffuso, ronzio persistente, che i ricercatori hanno ipotizzato dovrebbe avere lo stesso aspetto, e quindi essere correlato, in due rilevatori qualsiasi.

In contrasto, il resto del rumore casuale ricevuto in un rilevatore dovrebbe essere specifico di quel rilevatore, e non correlato con altri rivelatori. Ad esempio, il rumore generato dal traffico nelle vicinanze dovrebbe essere diverso a seconda della posizione di un determinato rilevatore. Confrontando i dati in due rivelatori dopo aver tenuto conto delle sorgenti astrofisiche dipendenti dal modello, i parametri dello sfondo primordiale potrebbero essere scoperti.

I ricercatori hanno testato il nuovo metodo simulando prima 400 secondi di dati di onde gravitazionali, che hanno disseminato di modelli d'onda che rappresentano fonti astrofisiche come la fusione di buchi neri. Hanno anche iniettato un segnale in tutti i dati, simile al ronzio persistente di un'onda gravitazionale primordiale.

Hanno quindi diviso questi dati in segmenti di quattro secondi e hanno applicato il loro metodo a ciascun segmento, per vedere se potevano identificare con precisione eventuali fusioni di buchi neri e il modello dell'onda che hanno iniettato. Dopo aver analizzato ogni segmento di dati su molte simulazioni, e in condizioni iniziali variabili, riuscirono a estrarre i sepolti, sfondo primordiale.

"Siamo stati in grado di adattare contemporaneamente sia il primo piano che lo sfondo, quindi il segnale di sottofondo che otteniamo non è contaminato dal primo piano residuo, " dice Biscoveanu.

Spera che ancora una volta sensibile, i rilevatori di nuova generazione sono online, il nuovo metodo può essere utilizzato per la correlazione incrociata e l'analisi dei dati provenienti da due diversi rivelatori, per vagliare il segnale primordiale. Quindi, gli scienziati possono avere un filo utile che possono risalire alle condizioni dell'universo primordiale.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.