宇宙引力波:回到大爆炸的新方法

超级计算机模拟合并黑洞发出引力波的可视化。 图片来源:NASA/C。 亨策

全球运行的天文台瞄准以银河辐射低污染为特征的天空区域,寻找在膨胀期间产生的宇宙引力波 (CGW) 的印记,这是早期宇宙中空间准指数膨胀的神秘阶段。 POLARBEAR 合作的一项新研究,由 SISSA 牵头,关于宇宙学解释的部分发表在《天体物理学杂志》上,提供了一种新的校正算法,使研究人员能够将在此类天文台中获得的可靠数据量几乎翻倍,从而提供访问权限到 CGW 产生的信号的未知领域,并使我们更接近大爆炸。

“根据目前对宇宙学的理解,在大爆炸之后,宇宙非常小、稠密和热。在 10-35 秒内,它被拉伸了 1030 倍,”天体物理学与宇宙学小组的协调员 Carlo Baccigalupi SISSA,解释说。 “这个过程被称为膨胀,产生了宇宙引力波 (CGW),可以通过宇宙微波背景 (CMB) 的极化检测到,宇宙微波背景 (CMB) 是大爆炸的剩余辐射。SISSA 参与的 POLARBEAR 实验看起来使用位于智利北部安托法加斯塔地区阿塔卡马沙漠的 Huan Tran 望远镜获取此类信号。”

POLARBEAR 天文台采集的数据分析是一个复杂的流程,其中测量的可靠性是最微妙和最关键的因素。 SISSA 研究员 Nicoletta Krachmalnicoff 和之前在同一研究所工作的 Davide Poletti 解释说:“CGW 只激发 CMB 偏振信号的一小部分,也就是众所周知的 B 模式。” “它们非常难以测量,特别是由于漫射银河气体的排放造成的信号污染。必须以极高的精度将其去除,以隔离 CGW 的独特贡献。”

在过去的两年里,安托。 I. Lonappan,博士 SISSA 的学生和科罗拉多州博尔德大学的 Satoru Takakura 一直在描述 POLARBEAR 合作的扩展数据集的质量,追踪所有已知的仪器和物理不确定性和系统性。 “我们已经实施了一种算法,该算法为’大补丁’中的测量分配准确性,该区域在南天半球延伸约 670 平方度,我们的测深仪显示的数据与在同一位置寻找的其他探测器一致,例如就像位于南极的 BICEP2/Keck 阵列一样,”他们解释说。 该研究现已发表在《天体物理学杂志》上。

“这是通往观测 CGW 的漫长道路上的一个里程碑。新方法使我们能够以前所未有的准确度探测天空,使可靠数据的数量增加一倍,从而使可访问信息的数量增加一倍。这是对 CGW 来说至关重要的一步。现在整个社区都在准备新的望远镜投入使用,”科学家们补充道。

从实验的角度来看,巨大的发展正在进行中。 一个由三个升级的 POLARBEAR 望远镜组成的系统,称为西蒙斯阵列,正在准备中。 西蒙斯天文台是一个由西蒙斯基金会资助的新的小口径和大口径望远镜系统,将于 2023 年在阿塔卡马附近的一个地点运行,并在 2023 年首次亮相。在本世纪后期,LiteBIRD 卫星将飞行,并且位于阿塔卡马沙漠和南极的被称为“第四阶段”的地面观测站扩展网络将补充这些观测。

“所有这些努力都将导致对 CGW 的最终测量,同时揭示有关暗能量和物质宇宙学成分的最重要线索,”Baccigalupi 总结道。 “通过 SISSA 作为一所博士学校的主要任务,培养学生成为年轻的研究人员,我们研究所正在并将为解决当代物理学面临的主要挑战做出重大贡献,就像目前一样,针对来自一小部分的引力波大爆炸之后的一秒钟。”