Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một kỹ thuật mới có thể lọc ra những sóng hấp dẫn đầu tiên của vũ trụ. Xác định các gợn sóng ban đầu sẽ là chìa khóa để hiểu các điều kiện của vũ trụ sơ khai.
Trong khoảnh khắc ngay sau Vụ nổ lớn, những sóng hấp dẫn đầu tiên đã vang lên. Sản phẩm của các dao động lượng tử trong súp mới của vật chất nguyên thủy, những gợn sóng sớm nhất này xuyên qua cấu trúc không-thời gian nhanh chóng được khuếch đại bởi các quá trình lạm phát khiến vũ trụ giãn nở một cách bùng nổ.
Sóng hấp dẫn nguyên thủy được tạo ra cách đây gần 13,8 tỷ năm vẫn còn vang vọng trong vũ trụ ngày nay. Nhưng chúng bị át đi bởi tiếng nứt của sóng hấp dẫn tạo ra bởi các sự kiện gần đây hơn, chẳng hạn như va chạm lỗ đen và sao neutron.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do một sinh viên tốt nghiệp MIT dẫn đầu đã phát triển một phương pháp để xác định các tín hiệu rất mờ nhạt của các gợn sóng nguyên thủy từ dữ liệu sóng hấp dẫn. Kết quả của họ sẽ được công bố trong tuần này trên tạp chí Physical Review Letters.
Sóng hấp dẫn đang được phát hiện gần như hàng ngày bởi LIGO và các thiết bị dò sóng hấp dẫn khác, nhưng các tín hiệu hấp dẫn ban đầu mờ hơn vài bậc so với những gì mà các thiết bị dò này có thể ghi nhận. Dự kiến thế hệ máy dò tiếp theo sẽ đủ nhạy để nhận ra những gợn sóng sớm nhất này.
Trong thập kỷ tới, khi các thiết bị nhạy cảm hơn xuất hiện trực tuyến, phương pháp mới có thể được áp dụng để tìm ra các tín hiệu ẩn của sóng hấp dẫn đầu tiên của vũ trụ. Mô hình và tính chất của các sóng nguyên thủy này sau đó có thể tiết lộ manh mối về vũ trụ sơ khai, chẳng hạn như các điều kiện thúc đẩy lạm phát.
“Nếu cường độ của tín hiệu ban đầu nằm trong phạm vi mà các máy dò thế hệ tiếp theo có thể phát hiện, có thể là như vậy, thì vấn đề nhiều hay ít chỉ là xoay chuyển dữ liệu, sử dụng phương pháp này. Sylvia Biscoveanu, một nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu Vật lý Thiên văn và Không gian Kavli của MIT cho biết. “Những sóng hấp dẫn nguyên thủy này sau đó có thể cho chúng ta biết về các quá trình trong vũ trụ sơ khai mà nếu không thì không thể thăm dò được.”
Các đồng tác giả của Biscoveanu là Colm Talbot của Caltech, và Eric Thrane và Rory Smith của Đại học Monash.
Một buổi hòa nhạc Hum
Việc săn lùng các sóng hấp dẫn nguyên thủy tập trung chủ yếu vào phông vi sóng vũ trụ, hay CMB, được cho là bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Ngày nay bức xạ này tràn vào vũ trụ dưới dạng năng lượng có thể nhìn thấy rõ nhất trong dải vi ba của phổ điện từ. Các nhà khoa học tin rằng khi các sóng hấp dẫn ban đầu xuất hiện, chúng đã để lại dấu ấn trên CMB, ở dạng B-mode, một kiểu phân cực tinh tế.
Các nhà vật lý đã tìm kiếm các dấu hiệu của B-mode, nổi tiếng nhất với BICEP Array, một loạt các thí nghiệm bao gồm BICEP2, mà vào năm 2014 các nhà khoa học tin rằng đã phát hiện ra B-mode. Tuy nhiên, tín hiệu hóa ra là do bụi thiên hà.
Khi các nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm các sóng hấp dẫn ban đầu trong CMB, những người khác đang tìm kiếm các gợn sóng trực tiếp trong dữ liệu sóng hấp dẫn. Ý tưởng chung là cố gắng loại bỏ “tiền cảnh vật lý thiên văn” – bất kỳ tín hiệu sóng hấp dẫn nào phát sinh từ nguồn vật lý thiên văn, chẳng hạn như lỗ đen va chạm, sao neutron và siêu tân tinh đang phát nổ. Chỉ sau khi trừ đi phần tiền cảnh vật lý thiên văn này, các nhà vật lý mới có thể ước tính được các tín hiệu tĩnh lặng hơn, không có vật lý thiên văn có thể chứa các sóng nguyên thủy.
Biscoveanu nói rằng vấn đề với những phương pháp này là tiền cảnh vật lý thiên văn chứa các tín hiệu yếu hơn, ví dụ như từ các hợp nhất xa hơn, quá mờ để phân biệt và khó ước tính trong phép trừ cuối cùng.
Biscoveanu giải thích: “Phép loại suy mà tôi muốn đưa ra là, nếu bạn đang ở một buổi hòa nhạc rock, nền nguyên thủy giống như tiếng ồn ào của ánh đèn trên sân khấu, và nền vật lý thiên văn giống như tất cả các cuộc trò chuyện của tất cả những người xung quanh bạn” . “Bạn có thể loại bỏ các cuộc trò chuyện riêng lẻ trong một khoảng cách nhất định, nhưng sau đó những cuộc trò chuyện thực sự rất xa hoặc thực sự mờ nhạt vẫn xảy ra, nhưng bạn không thể phân biệt được chúng. Khi bạn đi đo độ ồn của đèn chiếu, bạn sẽ nhận được sự ô nhiễm từ những cuộc trò chuyện bổ sung này mà bạn không thể loại bỏ được vì bạn thực sự không thể trêu chọc họ. “
Một mũi tiêm ban đầu
Đối với cách tiếp cận mới của họ, các nhà nghiên cứu đã dựa vào một mô hình để mô tả các “cuộc trò chuyện” rõ ràng hơn về tiền cảnh vật lý thiên văn. Mô hình dự đoán dạng tín hiệu sóng hấp dẫn sẽ được tạo ra khi hợp nhất các vật thể vật lý thiên văn có khối lượng và vòng quay khác nhau. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình này để tạo ra dữ liệu mô phỏng về các dạng sóng hấp dẫn, của cả các nguồn vật lý thiên văn mạnh và yếu như các lỗ đen hợp nhất.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã cố gắng mô tả đặc điểm của mọi tín hiệu vật lý thiên văn ẩn trong những dữ liệu mô phỏng này, chẳng hạn để xác định khối lượng và vòng quay của các lỗ đen nhị phân. Do đó, các thông số này dễ xác định hơn đối với các tín hiệu lớn hơn và chỉ bị hạn chế yếu đối với các tín hiệu mềm nhất. Trong khi các phương pháp trước đây chỉ sử dụng “phỏng đoán tốt nhất” cho các tham số của mỗi tín hiệu để loại trừ nó ra khỏi dữ liệu, phương pháp mới tính đến độ không đảm bảo trong từng đặc điểm của mẫu và do đó có thể phân biệt sự hiện diện của các tín hiệu yếu nhất , ngay cả khi chúng không được đặc trưng tốt. Biscoveanu cho biết khả năng định lượng độ không chắc chắn này giúp các nhà nghiên cứu tránh được bất kỳ sự sai lệch nào trong phép đo của họ về nền nguyên thủy.
Một khi họ xác định được các mẫu khác biệt, phi nguyên tử như vậy trong dữ liệu sóng hấp dẫn, họ sẽ để lại nhiều tín hiệu sóng hấp dẫn ban đầu ngẫu nhiên hơn và tiếng ồn công cụ cụ thể cho mỗi máy dò.
Các sóng hấp dẫn nguyên thủy được cho là xuyên qua vũ trụ như một tiếng ồn lan tỏa, dai dẳng, mà các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết nên trông giống nhau, và do đó có tương quan, trong bất kỳ hai máy dò nào.
Ngược lại, phần còn lại của tiếng ồn ngẫu nhiên nhận được trong một máy dò phải là riêng cho máy dò đó và không liên quan đến các máy dò khác. Ví dụ, tiếng ồn tạo ra từ giao thông lân cận sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí của một máy dò nhất định. Bằng cách so sánh dữ liệu trong hai máy dò sau khi tính đến các nguồn vật lý thiên văn phụ thuộc vào mô hình, các thông số của nền nguyên thủy có thể được đưa ra.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp mới này bằng cách đầu tiên mô phỏng 400 giây dữ liệu sóng hấp dẫn, chúng phân tán với các mẫu sóng đại diện cho các nguồn vật lý thiên văn như các lỗ đen hợp nhất. Họ cũng đưa vào một tín hiệu xuyên suốt dữ liệu, tương tự như tiếng vo ve liên tục của sóng hấp dẫn nguyên thủy.
Sau đó, họ chia dữ liệu này thành các phân đoạn dài 4 giây và áp dụng phương pháp của họ cho từng phân đoạn, để xem liệu họ có thể xác định chính xác bất kỳ sự hợp nhất lỗ đen nào cũng như mô hình của làn sóng mà họ đã đưa vào hay không. Sau khi phân tích từng đoạn dữ liệu qua nhiều lần chạy mô phỏng, và trong các điều kiện ban đầu khác nhau, họ đã thành công trong việc trích xuất nền nguyên thủy bị chôn vùi.
Biscoveanu nói: “Chúng tôi có thể khớp cả tiền cảnh và hậu cảnh cùng một lúc, vì vậy tín hiệu nền mà chúng tôi nhận được không bị ô nhiễm bởi tiền cảnh còn lại.”
Cô hy vọng rằng một khi các máy dò thế hệ tiếp theo, nhạy cảm hơn được đưa lên mạng, phương pháp mới có thể được sử dụng để tương quan chéo và phân tích dữ liệu từ hai máy dò khác nhau, để lọc ra tín hiệu ban đầu. Sau đó, các nhà khoa học có thể có một sợi dây hữu ích mà họ có thể truy tìm lại các điều kiện của vũ trụ sơ khai.
Nguồn truyện:
Vật liệu do Viện Công nghệ Massachusetts cung cấp . Bản gốc do Jennifer Chu viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :