在宇宙大爆炸後的瞬間，第一道引力波爆發了。這些最早的時空結構波被膨脹過程迅速放大，推動宇宙爆炸性膨脹。大約138億年前誕生的原始引力波至今仍在宇宙中迴響，但它們被黑洞和中子星碰撞等事件產生的引力波淹沒了，難以被現有設備檢出。
當地時間12月9日，美國麻省理工學院（MIT）領導的研究團隊在《物理評論快報》雜誌中闡述了一種新方法，能夠從引力波數據中梳理出「原始漣漪」的微弱信號。
原始引力波的模式和性質可用於揭示早期宇宙的線索（例如驅動暴漲的條件）。MIT天體物理學與空間研究所研究生Sylvia Biscoveanu說：「原始引力波能夠告訴我們早期宇宙的進程。」研究人員對原始引力波的探索，主要聚焦於宇宙微波背景輻射（CMB）。CMB被認為是宇宙大爆炸後遺留下來的輻射，現在，這種輻射以能量的形式滲透到宇宙之中。
科學家們堅信，原始引力波擴散後會在CMB上留下「B模式」印記（一種微妙的極化模式）。然而，數年來，B模式尋蹤研究毫無進展，因此一些科學家希望從引力波數據中發掘原始漣漪的線索。
一般的觀點是，通過去除「天體物理前景」（astrophysical foreground，來自黑洞碰撞、中子星和超新星爆炸等天體物理源的引力波信號），有可能發現包含原始引力波的更微弱的非天體物理學信號。但是，天體物理前景包含的較弱信號很難識別。
為了更好的描述天體物理學前景，研究人員開發了一種新模型。藉助該模型，研究人員創建了引力波模式的模擬數據，他們希望描述隱藏在模擬數據中的所有天體物理信號。
新方法的優勢在於，它能夠量化每種模式的不確定性，進而幫助研究人員在測量原始背景時避免偏差。一旦研究人員從引力波數據中識別出了不同的、非隨機模式，他們就會得到更多隨機原始引力波信號和每個探測器特有的儀器噪音。
研究人員認為，原始引力波是一種擴散的、瀰漫在宇宙中的持續「嗡嗡聲」。他們假設，對任意兩個探測器而言，引力波都應該是相同且相關的。相比之下，檢測器接收的其餘隨機噪音應該是儀器特有的。通過比較兩個探測器的數據，研究人員可以得出原始背景的參數。
在新方法測試實驗中，研究人員首先模擬了400秒的引力波數據，然後用代表天體物理源的波模式（如黑洞合併）來分散這些數據。他們還在數據中注入了類似於原始引力波的持續信號。接著，研究人員將數據分割成四秒片段，並用他們設計的方法進行測試。
經過多次模擬分析，在不同的初始條件下，研究人員成功提取出了被「埋藏」起來的原始背景。
Biscoveanu說：「在新方法下得到的背景信號不會被剩餘的前景所『汙染』。當更靈敏的新一代探測器問世後，新方法可以用於交叉關聯、分析來自不同探測器的數據，以篩選原始信號。由此，科學家們將獲得追溯宇宙早期情況的有用線索。」
科界原創
編譯：雷鑫宇
審稿：西莫
責編：陳之涵
期刊來源：《物理評論快報》
期刊編號：0031-9007
原文連結：
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201209170635.htm
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