Nos momentos imediatamente após o Big Bang, as primeiras ondas gravitacionais ecoaram. Produto das flutuações qua¢nticas na nova sopa de matéria primordial, essas primeiras ondulações atravanãs da estrutura do Espaço-tempo foram rapidamente amplificadas por processos inflaciona¡rios que levaram o universo a se expandir de forma explosiva.

Ondas gravitacionais primordiais, produzidas hácerca de 13,8 bilhaµes de anos, ainda ecoam pelo universo hoje. Mas são abafados pelo crepitar das ondas gravitacionais produzidas por eventos mais recentes, como buracos negros em colisão e estrelas de naªutrons.

Agora, uma equipe liderada por um estudante de pós-graduação do MIT desenvolveu um manãtodo para extrair os sinais muito fracos de ondulações primordiais de dados de ondas gravitacionais. Seus resultados são publicados hoje na Physical Review Letters .

As ondas gravitacionais estãosendo detectadas quase diariamente pelo LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais, mas os sinais gravitacionais primordiais são várias ordens de magnitude mais fracos do que o que esses detectores podem registrar. Espera-se que a próxima geração de detectores sejasensívelo suficiente para detectar essas primeiras ondulações.

Na próxima década, a  medida que instrumentos mais sensa­veis ficarem online, o novo manãtodo podera¡ ser aplicado para desenterrar sinais ocultos das primeiras ondas gravitacionais do universo. O padrãoe as propriedades dessas ondas primordiais poderiam então revelar pistas sobre o universo primitivo, como as condições que impulsionaram a inflação.

“Se a força do sinal primordial estãodentro da faixa do que os detectores de próxima geração podem detectar, o que pode ser, então seria uma questãode mais ou menos apenas girar a manivela dos dados, usando este manãtodo que temos desenvolvido ”, diz Sylvia Biscoveanu, uma estudante de pós-graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. “Essas ondas gravitacionais primordiais podem nos falar sobre processos no universo primordial que de outra forma seriam impossa­veis de sondar.”

Os coautores de Biscoveanu são Colm Talbot, da Caltech, e Eric Thrane, e Rory Smith, da Monash University.

A caça a s ondas gravitacionais primordiais concentrou-se principalmente na radiação ca³smica de fundo, ou CMB, que se pensa ser a radiação que sobrou do Big Bang. Hoje, essa radiação permeia o universo como energia que émais visível na faixa de microondas do espectro eletromagnanãtico. Os cientistas acreditam que, quando as ondas gravitacionais primordiais se propagaram, elas deixaram uma marca na CMB, na forma de modos B, um tipo de padrãode polarização sutil.

Os fa­sicos tem procurado sinais de modos B, principalmente com o BICEP Array, uma sanãrie de experimentos incluindo o BICEP2, que em 2014 os cientistas acreditavam ter detectado modos B. O sinal acabou sendo devido a  poeira gala¡ctica, no entanto.

Enquanto os cientistas continuam a procurar ondas gravitacionais primordiais na CMB, outros estãocaçando as ondas diretamente nos dados das ondas gravitacionais. A ideia geral tem sido tentar subtrair o “primeiro plano astrofisico” - qualquer sinal de onda gravitacional que surge de uma fonte astrofa­sica, como buracos negros em colisão, estrelas de naªutrons e supernovas em explosão. Somente depois de subtrair esse primeiro plano astrofisico, os fa­sicos podem obter uma estimativa dos sinais não-astrofisicos mais silenciosos que podem conter ondas primordiais.

O problema com esses manãtodos, diz Biscoveanu, éque o primeiro plano astrofisico contanãm sinais mais fracos, por exemplo, de fusaµes mais distantes, que são muito fracos para discernir e difa­ceis de estimar na subtração final.

“A analogia que gosto de fazer anã, se vocêestãoem um show de rock, o fundo primordial écomo o zumbido das luzes no palco, e o primeiro plano astrofisico écomo todas as conversas de todas as pessoas ao seu redor”, explica Biscoveanu . “Vocaª pode subtrair as conversas individuais atéuma certa distância, mas as que estãomuito longe ou realmente fracas ainda estãoacontecendo, mas vocênão consegue distingui-las. Quando vocêfor medir o quanto alto as luzes das estrelas estãozumbindo, vocêobtera¡ essa contaminação dessas conversas extras das quais vocênão pode se livrar porque vocênão pode realmente provoca¡-las. ”

Para sua nova abordagem, os pesquisadores confiaram em um modelo para descrever as "conversas" mais a³bvias do primeiro plano astrofisico. O modelo prevaª o padrãode sinais de ondas gravitacionais que seriam produzidos pela fusão de objetos astrofisicos de diferentes massas e spins. A equipe usou este modelo para criar dados simulados de padraµes de ondas gravitacionais, de fontes astrofa­sicas fortes e fracas, como buracos negros em fusão.

A equipe então tentou caracterizar todos os sinais astrofisicos ocultos nesses dados simulados, por exemplo, para identificar as massas e spins de buracos negros binários. Como estão, esses parametros são mais fa¡ceis de identificar para sinais mais altos e apenas fracamente restritos para os sinais mais suaves. Enquanto os manãtodos anteriores usam apenas uma "melhor estimativa" para os parametros de cada sinal, a fim de subtraa­-lo dos dados, o novo manãtodo leva em conta a incerteza em cada caracterização de padrãoe, portanto, écapaz de discernir a presença dos sinais mais fracos , mesmo que não sejam bem caracterizados. Biscoveanu diz que essa capacidade de quantificar a incerteza ajuda os pesquisadores a evitar qualquer vianãs na medição do fundo primordial.

Assim que identificaram esses padraµes distintos e não aleata³rios nos dados de ondas gravitacionais, eles ficaram com sinais de ondas gravitacionais primordiais mais aleata³rios e rua­do instrumental especa­fico para cada detector.

Acredita-se que as ondas gravitacionais primordiais permeiem o universo como um zumbido difuso e persistente, que os pesquisadores supuseram que deveria ter a mesma aparaªncia e, portanto, estar correlacionadas em quaisquer dois detectores.

Em contraste, o resto do rua­do aleata³rio recebido em um detector deve ser especa­fico para aquele detector e não correlacionado com outros detectores. Por exemplo, o rua­do gerado pelo tra¡fego pra³ximo deve ser diferente dependendo da localização de um determinado detector. Comparando os dados em dois detectores após considerar as fontes astrofa­sicas dependentes do modelo, os parametros do fundo primordial puderam ser extraa­dos.

Os pesquisadores testaram o novo manãtodo simulando primeiro 400 segundos de dados de ondas gravitacionais, que eles espalharam com padraµes de onda que representam fontes astrofa­sicas, como buracos negros em fusão. Eles também injetaram um sinal em todos os dados, semelhante ao zumbido persistente de uma onda gravitacional primordial.

Eles então dividiram esses dados em segmentos de quatro segundos e aplicaram seu manãtodo a cada segmento, para ver se eles poderiam identificar com precisão quaisquer fusaµes de buraco negro, bem como o padrãoda onda que eles injetaram. Depois de analisar cada segmento de dados ao longo de muitas simulações, e sob condições iniciais varia¡veis, eles tiveram sucesso em extrair o fundo primordial enterrado.

“Conseguimos ajustar o primeiro e o segundo plano ao mesmo tempo, para que o sinal de segundo plano que recebemos não fosse contaminado pelo primeiro plano residual”, diz Biscoveanu.

Ela espera que mais uma vez os detectores sensa­veis da próxima geração fiquem online, o novo manãtodo pode ser usado para correlacionar e analisar dados de dois detectores diferentes, para filtrar o sinal primordial. Então, os cientistas podem ter uma linha útil que podem rastrear atéas condições do universo primitivo.