جعبه سیاه جهان هستی

فرادید | لحظاتی بلافاصله پس از انفجار بزرگ، اولین امواج گرانشی کیهان تولید شدند. تورم افسارگسیخته در ابتدای کیهان، افت و خیز کوانتمی اولیه در بافت فضا-زمان را تقویت کرده و اولین امواج گرانشی کیهان را ایجاد کرد. این امواج گرانشی اولیه هنوز هم در کیهان طنین انداز هستند. اما رویداد‌های متاخر در کیهان، مثل ادغام سیاهچاله‌ها با ستارگان نوترونی، چنان امواج گرانشی «بلندی» تولید می‌کنند که صدای امواج گرانشی اولیه را تحت الشعاع خود قرار می‌دهند.

به گزارش فرادید؛ به تازگی تیمی از دانشجویان تحصیلات تکمیلی دانشگاه MIT روشی را پیشنهاد کرده‌اند که امواج گرانشی ضعیف اولیه را از درون داده‌های امواج گرانشی تشخیص دهد و نتایج آن در مجله PRL منتشر شده است. رصدخانه‌های امواج گرانشی مثل LIGO تقریبا هر روز امواج گرانشی را آشکار می‌کنند. اما امواج گرانشی اولیه چند مرتبه کوچکتر از حساسیت این آشکارسازهاست. انتظار می‌رود که نسل بعدی آشکارساز‌ها به اندازه کافی حساس باشند تا این امواج اولیه را آشکار کنند و در این صورت با استفاده از روش پیشنهادی این گروه، می‌توان اطلاعات ارزشمندی از فرایند‌های دخیل در ابتدای کیهان کسب کرد که به هیچ طریق دیگری قابل مشاهده نیستند.

کیهان شناسان تاکنون رد امواج گرانشی اولیه را بر روی تابش زمینه کیهانی جست وجو می‌کردند، تابشی که حدود سیصدهزار سال پس از انفجار بزرگ رها شده و به ما رسیده است. این مسیر جست وجو تاکنون امواج گرانشی اولیه را آشکار نکرده است. گرچه جست وجو برای یافتن امواج گرانشی اولیه روی تابش زمینه کیهانی ادامه دارد، گروهی دیگر از کیهان شناسان داده‌های مستقیم امواج گرانشی را در پی این امواج اولیه می‌کاوند.

ایده اصلی این است که امواج گرانشی دریافتی توسط آشکارسازها، در واقع حاصل جمع امواج گرانشی منابع اخترفیزیکی با امواج گرانشی اولیه است. منابع اخترفیزیکی امواج گرانشی رویداد‌هایی از قبیل ادغام هر روزه سیاهچاله‌ها و انفجار‌های ابرنواختری هستند. پس از کم کردن سهم این منابع پیش زمینه اخترفیزیکی از داده ها، آنچه باقی می‌ماند پس زمین‌های ضعیف و نسبتا ساکت از امواج گرانشی غیر اخترفیزیکی است که شامل امواج گرانشی اولیه نیز هست. اما ایراد این روش اینجاست که منابع اخترفیزیکی نیز دارای یک زمینه بسیار ضعیف هستند که ناشی از ادغام‌های بسیار دوردست بوده و تخمین اندازه آن‌ها مشکل است.

برای داشتن دید بهتر تصور کنید که در یک کنسرت موسیقی نشسته اید، امواج گرانش اولیه همچون نویز چراغ‌های روی صحنه است و منابع اخترفیزیکی همچون صدای افراد اطراف شماست که با هم در حال صحبت هستند. شما شاید بتوانید صدای چند مکالمه اطراف خودتان را از کل صدایی که میشنوید، کم کنید، اما صدای افرادی که در دوردست در حال حرف زدن هستند، قابل تشخیص نیست و نویز چراغ‌های صحنه عملا با صدای مکالمات افراد خیلی دور آلوده می‌شود.

در روش جدید، این محققان سعی می‌کنند ویژگی‌های یک مکالمه واقعی را در کم کردن آن‌ها از کل صدا، لحاظ کنند. به این معنی که آن‌ها امواج گرانشی حاصل از ادغام‌های متعدد (حتی امواج ضعیفتر) را شبیه سازی کرده و با هم جمع می‌کنند تا سیگنال حاصل از تمام منابع اخترفیزیکی را شبیه سازی کنند، سپس سعی می‌کنند درون این داده شبیه سازی شده، تک تک سیگنال‌های اخترفیزیکی را تشخیص داده و جدا کنند.

روش‌های پیشین تنها مبتنی بر «بهترین حدس» بود و درستی این حدس‌ها با قدرت سیگنال رابطه داشت، سیگنال‌های ضعیف حدس‌های ضعیف تری را ایجاد می‌کردند. اما در این روش جدید عدم قطعیت حدس‌های ضعیف در خود سیگنال لحاظ شده و در نظر گرفتن این عدم قطعیت (که در روش‌های پیشین غایب بود) باعث میشود تا بتوانند حضور حتی ضعیف‌ترین سیگنال‌های زمینه را تشخیص دهند. حتی اگر مشخصات آن را به خوبی شناسایی نکنند.

پس از حذف تمام سیگنال‌های اخترفیزیکی که الگوی غیر تصادفی دارند، آنچه باقی می‌ماند یک سیگنال پس زمینه کمابیش تصادفی شامل امواج گرانشی اولیه بوده که همراه با نویز ذاتی آشکارساز است. نویز اندازه گیری آشکارساز معمولا منابع محلی مثل ترافیک اطراف را شامل می‌شود.

طبق نظریات موجود امواج گرانشی از هر نقطه یکسان دیده می‌شوند، اما نویز ذاتی آشکارساز منحصر به فرد است، بنابراین با مقایسه امواج زمینه دو آشکارساز متفاوت می‌توان نویز آشکارساز را از امواج گرانشی اولیه تشخیص داد. چرا که امواج گرانشی اولیه دریافتی در دو آشکارساز، کاملا مشابه هم هستند. در حالی که نویز ذاتی آشکارساز‌ها متفاوت است.

این گروه برای آزمودن روش خود، یک آزمون شبیه سازی انجام دادند، امواج گرانشی اولیه بسیار ضعیف را با منابع اخترفیزیکی متعدد جمع کردند و یک سیگنال چهارصد ثانیه‌ای تولید کردند سپس روش خود را روی این داده شبیه سازی شده آزمودند. نتیجه این که سیگنال امواج گرانشی اولیه که زیر انبوهی از سیگنال‌های اضافی مدفون بود، با موفقیت استخراج شد. این محققان امیدوارند با روی کار آمدن آشکارساز‌های جدید امواج گرانشی که حساسیت مناسبی دارند، به کمک روش آن‌ها بتوان امواج گرانشی اولیه را آشکار کرد.