Dans les instants qui ont immédiatement suivi le Big Bang, les toutes premières ondes gravitationnelles retentirent. Le produit des fluctuations quantiques dans la nouvelle soupe de matière primordiale, ces premières ondulations à travers le tissu de l'espace-temps ont été rapidement amplifiées par des processus inflationnistes qui ont conduit l'univers à une expansion explosive.

Ondes gravitationnelles primordiales, produit il y a près de 13,8 milliards d'années, résonnent encore dans l'univers aujourd'hui. Mais ils sont noyés par le crépitement des ondes gravitationnelles produites par des événements plus récents, comme la collision de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Maintenant, une équipe dirigée par un étudiant diplômé du MIT a développé une méthode pour démêler les signaux très faibles des ondulations primordiales à partir des données d'ondes gravitationnelles. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans Lettres d'examen physique .

Les ondes gravitationnelles sont détectées presque quotidiennement par LIGO et d'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles, mais les signaux gravitationnels primordiaux sont de plusieurs ordres de grandeur plus faibles que ce que ces détecteurs peuvent enregistrer. On s'attend à ce que la prochaine génération de détecteurs soit suffisamment sensible pour détecter ces premières ondulations.

Au cours de la prochaine décennie, à mesure que des instruments plus sensibles sont mis en ligne, la nouvelle méthode pourrait être appliquée pour déterrer les signaux cachés des premières ondes gravitationnelles de l'univers. Le modèle et les propriétés de ces ondes primordiales pourraient alors révéler des indices sur l'univers primitif, telles que les conditions qui ont conduit à l'inflation.

"Si la force du signal primordial est dans la plage de ce que les détecteurs de nouvelle génération peuvent détecter, ce que cela pourrait être, alors il s'agirait plus ou moins de tourner la manivelle sur les données, en utilisant cette méthode que nous avons développée, " dit Sylvia Biscoveanu, un étudiant diplômé de l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "Ces ondes gravitationnelles primordiales peuvent alors nous renseigner sur des processus dans l'univers primitif qui sont autrement impossibles à sonder."

Les co-auteurs de Biscoveanu sont Colm Talbot de Caltech, et Eric Thrane et Rory Smith de l'Université Monash.

Un bourdonnement de concert

La chasse aux ondes gravitationnelles primordiales s'est concentrée principalement sur le fond diffus cosmologique, ou CMB, qui est considéré comme un rayonnement résiduel du Big Bang. Aujourd'hui, ce rayonnement imprègne l'univers sous forme d'énergie la plus visible dans la bande des micro-ondes du spectre électromagnétique. Les scientifiques pensent que lorsque les ondes gravitationnelles primordiales se sont propagées, ils ont laissé une empreinte sur le CMB, sous forme de modes B, un type de motif de polarisation subtile.

Les physiciens ont recherché des signes de modes B, le plus connu avec le BICEP Array, une série d'expérimentations dont BICEP2, qui en 2014, les scientifiques pensaient avoir détecté les modes B. Le signal s'est avéré être dû à la poussière galactique, toutefois.

Alors que les scientifiques continuent de rechercher des ondes gravitationnelles primordiales dans le CMB, d'autres chassent les ondulations directement dans les données d'ondes gravitationnelles. L'idée générale a été d'essayer de soustraire le "premier plan astrophysique" - tout signal d'onde gravitationnelle qui provient d'une source astrophysique, comme la collision de trous noirs, étoiles à neutrons, et des supernovae explosives. Ce n'est qu'après avoir soustrait ce premier plan astrophysique que les physiciens peuvent obtenir une estimation du plus silencieux, signaux non astrophysiques pouvant contenir des ondes primordiales.

Le problème avec ces méthodes, Biscoveranu dit, est que le premier plan astrophysique contient des signaux plus faibles, par exemple de fusions plus lointaines, qui sont trop faibles pour être discernés et difficiles à estimer dans la soustraction finale.

"L'analogie que j'aime faire est, si vous êtes à un concert de rock, le fond primordial est comme le bourdonnement des lumières sur scène, et le premier plan astrophysique est comme toutes les conversations de tous les gens autour de vous, " explique Biscoveanu. " Vous pouvez soustraire les conversations individuelles jusqu'à une certaine distance, mais alors ceux qui sont vraiment loin ou vraiment faibles se produisent encore, mais vous ne pouvez pas les distinguer. Quand vous allez mesurer à quel point les lumières de la scène bourdonnent, vous obtiendrez cette contamination de ces conversations supplémentaires dont vous ne pouvez pas vous débarrasser parce que vous ne pouvez pas réellement les démêler. "

Une injection primordiale

Pour leur nouvelle approche, les chercheurs se sont appuyés sur un modèle pour décrire les "conversations" les plus évidentes du premier plan astrophysique. Le modèle prédit le schéma des signaux d'ondes gravitationnelles qui seraient produits par la fusion d'objets astrophysiques de masses et de spins différents. L'équipe a utilisé ce modèle pour créer des données simulées de modèles d'ondes gravitationnelles, de sources astrophysiques fortes et faibles telles que la fusion de trous noirs.

L'équipe a ensuite tenté de caractériser chaque signal astrophysique caché dans ces données simulées, par exemple pour identifier les masses et les spins des trous noirs binaires. Comme si, ces paramètres sont plus faciles à identifier pour des signaux plus forts, et seulement faiblement contraint pour les signaux les plus faibles. Alors que les méthodes précédentes n'utilisent qu'une "meilleure estimation" pour les paramètres de chaque signal afin de le soustraire des données, la nouvelle méthode tient compte de l'incertitude dans chaque caractérisation de modèle, et est ainsi capable de discerner la présence des signaux les plus faibles, même s'ils ne sont pas bien caractérisés. Biscoveanu dit que cette capacité à quantifier l'incertitude aide les chercheurs à éviter tout biais dans leur mesure du fond primordial.

Une fois qu'ils ont identifié ces distincts, modèles non aléatoires dans les données d'ondes gravitationnelles, ils se sont retrouvés avec des signaux d'ondes gravitationnelles primordiales plus aléatoires et un bruit instrumental spécifique à chaque détecteur.

On pense que les ondes gravitationnelles primordiales imprègnent l'univers sous la forme d'un bourdonnement persistant, dont les chercheurs ont supposé qu'ils devraient se ressembler, et donc être corrélée, dans deux détecteurs.

En revanche, le reste du bruit aléatoire reçu dans un détecteur doit être spécifique à ce détecteur, et non corrélée avec d'autres détecteurs. Par exemple, le bruit généré par la circulation à proximité devrait être différent selon l'emplacement d'un détecteur donné. En comparant les données de deux détecteurs après avoir pris en compte les sources astrophysiques dépendantes du modèle, les paramètres de l'arrière-plan primordial pourraient être démasqués.

Les chercheurs ont testé la nouvelle méthode en simulant d'abord 400 secondes de données d'ondes gravitationnelles, qu'ils ont dispersés avec des motifs d'ondes représentant des sources astrophysiques telles que la fusion de trous noirs. Ils ont également injecté un signal dans les données, semblable au bourdonnement persistant d'une onde gravitationnelle primordiale.

Ils ont ensuite divisé ces données en segments de quatre secondes et appliqué leur méthode à chaque segment, pour voir s'ils pouvaient identifier avec précision les fusions de trous noirs ainsi que le modèle de la vague qu'ils ont injectée. Après avoir analysé chaque segment de données sur de nombreuses simulations, et dans des conditions initiales variables, ils ont réussi à extraire les enterrés, fond primordial.

"Nous avons pu adapter à la fois le premier plan et l'arrière-plan, donc le signal de fond que nous obtenons n'est pas contaminé par le premier plan résiduel, " dit Biscoveranu.

Elle espère qu'une fois de plus sensible, les détecteurs de nouvelle génération sont en ligne, la nouvelle méthode peut être utilisée pour effectuer des corrélations croisées et analyser les données de deux détecteurs différents, pour tamiser le signal primordial. Puis, les scientifiques peuvent avoir un fil conducteur utile qu'ils peuvent retracer jusqu'aux conditions de l'univers primitif.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.