麻省理工学院朱棣文教授 原始引力波，产生了近13个
80亿年前宇宙大爆炸后的瞬间，至今仍在宇宙中回响
学分:麻省理工学院新闻 在紧接着大爆炸的瞬间，第一批引力波响起
作为原始物质新汤里量子波动的产物，这些穿越时空结构的早期涟漪很快被膨胀过程放大了，膨胀过程驱使宇宙爆发式膨胀
原始引力波，产生了近13个
80亿年前，至今仍在宇宙中回响
但是它们被最近事件产生的引力波的噼啪声淹没了，比如黑洞和中子星的碰撞
现在，一个由麻省理工学院研究生领导的团队已经开发出一种方法，从引力波数据中梳理出非常微弱的原始波动信号
他们的结果发表在今天的《物理评论快报》上
LIGO和其他引力波探测器几乎每天都在探测引力波，但是原始的引力波信号比这些探测器记录的要弱几个数量级
预计下一代探测器将足够灵敏，能够捕捉到这些最早的波纹
在接下来的十年里，随着更敏感的仪器上线，这种新方法可能被用于挖掘宇宙第一批引力波的隐藏信号
这些原始波的模式和性质可以揭示早期宇宙的线索，例如驱动膨胀的条件
“如果原始信号的强度在下一代探测器能够探测到的范围内(这可能是真的)，那么使用我们开发的这种方法，或多或少只是打开数据的曲柄就可以了，”麻省理工学院卡维利天体物理和空间研究所的研究生西尔维亚·比斯科瓦努说
“这些原始引力波可以告诉我们早期宇宙中的一些过程，否则无法探测
" 比斯科瓦努的合著者是加州理工学院的科尔姆·塔尔博特、莫纳什大学的埃里克·索伦和罗里·史密斯
音乐会的嗡嗡声 对原始引力波的搜寻主要集中在宇宙微波背景上，即宇宙微波背景，它被认为是大爆炸遗留下来的辐射
今天，这种辐射作为在电磁波谱的微波波段最明显的能量渗透到宇宙中
科学家们认为，当原始引力波起伏时，它们会以B模式的形式在宇宙微波背景上留下印记，B模式是一种微妙的偏振模式
物理学家一直在寻找B模式的迹象，最著名的是BICEP阵列，这是一系列实验，包括2014年科学家认为探测到B模式的BICEP2
然而，这个信号原来是由银河尘埃引起的
随着科学家们继续在日冕物质抛射中寻找原始引力波，其他人则直接在引力波数据中寻找涟漪
总的想法是试图减去“天体物理前景”——任何来自天体物理源的引力波信号，如碰撞的黑洞、中子星和爆炸的超新星
只有减去这个天体物理学前景，物理学家才能估计出可能包含原始波的更安静的非天体物理信号
比斯科瓦努说，这些方法的问题在于，天体物理前景包含较弱的信号，例如来自更远的合并的信号，这些信号太微弱，难以辨别，也难以在最终的减法中进行估计
“我喜欢做的类比是，如果你在一场摇滚音乐会上，原始背景就像舞台上灯光的嗡嗡声，天体物理学前景就像你周围所有人的所有对话，”比斯科瓦努解释道
“你可以减去一定距离内的单个对话，但是那些非常远或者非常微弱的对话仍然在发生，但是你无法区分它们
当你去测量舞台灯光的嗡嗡声时，你会从这些额外的对话中得到这种污染，你无法摆脱它们，因为你实际上无法梳理它们
" 原始注射 对于他们的新方法，研究人员依靠一个模型来描述天体物理学前景的更明显的“对话”
该模型预测了不同质量和自旋的天体物理物体融合后产生的引力波信号模式
该团队使用这个模型创建了引力波模式的模拟数据，包括强天体物理源和弱天体物理源，如合并黑洞
该团队随后试图描述隐藏在这些模拟数据中的每一个天体物理信号的特征，例如识别二元黑洞的质量和自旋
事实上，这些参数对于较大的信号更容易识别，而对于最软的信号只有微弱的约束
虽然以前的方法只对每个信号的参数使用“最佳猜测”，以便从数据中减去它，但新方法考虑了每个模式表征中的不确定性，因此能够辨别最弱信号的存在，即使它们没有被很好地表征
比斯科瓦努说，这种量化不确定性的能力有助于研究人员在测量原始背景时避免任何偏差
一旦他们在引力波数据中识别出如此独特的非随机模式，他们就剩下更多随机的原始引力波信号和每个探测器特有的仪器噪声
原始引力波被认为是以一种弥漫的、持续的嗡嗡声的形式渗透到宇宙中，研究人员假设在任何两个探测器中，这种嗡嗡声看起来都是一样的，因此是相关的
相比之下，检测器接收到的其余随机噪声应该是特定于该检测器的，并且与其他检测器不相关
例如，根据给定检测器的位置，附近交通产生的噪声应该不同
在考虑了依赖于模型的天体物理源之后，通过比较两个探测器中的数据，可以梳理出原始背景的参数
研究人员通过首先模拟400秒的引力波数据来测试新方法，他们用代表天体物理源(如合并黑洞)的波形来分散这些数据
他们还在整个数据中注入了一个信号，类似于原始引力波的持续嗡嗡声
然后，他们将这些数据分成4秒钟的片段，并将他们的方法应用到每一个片段中，看看他们是否能准确识别出任何黑洞合并以及他们注入的波的模式
在多次模拟运行中分析了每一段数据后，在不同的初始条件下，他们成功地提取了埋藏的原始背景
“我们能够同时适应前景和背景，所以我们得到的背景信号不会被残留的前景所污染，”比斯科瓦努说
她希望一旦更灵敏的下一代探测器上线，新方法可以用于交叉关联和分析来自两个不同探测器的数据，以筛选出原始信号
然后，科学家可能有一个有用的线索，他们可以追溯到早期宇宙的条件
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