С момента первого обнаружения гравитационных волн от слияния двойных черных дыр GW150914 сеть детекторов LIGO-Virgo наблюдала гравитационные волны от многих слияний двойных черных дыр и пары слияний двойных нейтронных звезд. Однако эти события представляют собой лишь небольшую часть от общего числа слияний двойных черных дыр и двойных нейтронных звезд, происходящих во Вселенной. Из-за текущей чувствительности наших детекторов мы не можем индивидуально разрешить каждый слабый, далекий сигнал слияния. Однако комбинация этих слабых сигналов слияния порождает фон гравитационных волн, который можно обнаружить с помощью сети детекторов гравитационных волн, таких как LIGO и Virgo. Мы также ожидаем гравитационно-волнового фона от различных явлений, таких как фазовые переходы и первичные слияния черных дыр , которые могли произойти в ранней Вселенной. Ожидается, что эти разные фоны гравитационных волн будут иметь различную частотную зависимость, поэтому мы должны уметь различать их.
В недавней статье мы искали изотропные компоненты различных фонов гравитационных волн. Изотропная составляющая говорит нам, насколько похож фон гравитационных волн, когда мы смотрим в разные стороны неба. Поскольку Вселенная имеет структуры, такие как галактики и скопления галактик, мы ожидаем, что источники этих слабых сигналов гравитационных волн предпочтительно будут находиться в областях неба, содержащих эти структуры, что приводит к возникновению анизотропии. Фон гравитационных волн аналогичен космическому микроволновому фону (CMB), первоначальное открытие которого предполагало, что оно однородно во всех направлениях (изотропно), в то время как подробные исследования позже выявили особенности, зависящие от направления (анизотропия). Эта анизотропия реликтового излучения считается важным открытием в космологии и объясняет образование скоплений галактик и других структур во Вселенной. Мы также ожидаем увидеть аналогичные особенности, зависящие от направления, на фоне гравитационных волн. Если бы эти анизотропии наблюдались, они могли бы дать нам представление об истории ранней Вселенной, а также объяснить, как материя распределяется в соседней Вселенной.
В этой статье мы проводим кросс-корреляцию данных двух или более детекторов для поиска анизотропного фона гравитационных волн. Взаимная корреляция , при которой мы проверяем сходство данных с двух детекторов, является одним из многих методов, позволяющих извлекать очень слабые сигналы из шума детекторов гравитационных волн. Мы используем гравитационно-волновую радиометрию для поиска сигналов на фоне гравитационных волн, которые приходят с разных направлений в небе. В радиометрии, чтобы смотреть в определенном направлении, мы сдвигаем во времени данные одного из детекторов, а затем кросс-коррелируем их с данными второго детектора. В этом методе каждое направление на небе соответствует определенному временному сдвигу данных одного из детекторов по отношению к другому.
Используя данные первых трех сеансов наблюдений детекторов LIGO и Virgo, где первый сеанс (O1) проходил с сентября 2015 г. по январь 2016 г., второй сеанс (O2) с ноября 2016 г. по август 2017 г. и третий сеанс (O3) с С апреля 2019 г. по март 2020 г., и предполагая очень мало ожидаемого фона гравитационных волн, мы искали широкополосные гравитационные волны (частоты в диапазоне от 20 Гц до 1726 Гц), которые могли исходить из любого направления неба. Мы не нашли каких-либо существенных доказательств наличия гравитационно-волнового фона; следовательно, мы устанавливаем верхние пределы от силы гравитационно-волнового фона по всем направлениям в небе. Эти верхние пределы соответствуют максимальным амплитудам фона гравитационных волн, которые все еще согласуются с тем, что не обнаруживаются нашим анализом, и могут использоваться для ограничения различных моделей фона гравитационных волн. Верхние пределы, полученные в нашем анализе, лучше предыдущих в ~3 раза.
Мы также искали узкополосные сигналы гравитационных волн от трех астро-физически интересных направлений в небе: сверхновой 1987A , Скорпиона X-1 и центра Галактики . Мы ожидаем, что эти источники будут излучать сигналы гравитационных волн; однако мы не знаем ни ожидаемой силы, ни частоты сигналов гравитационных волн, исходящих от этих источников. Мы искали узкополосный фон гравитационных волн от этих источников в диапазоне 20 Гц - 1726 Гц. Мы не нашли никаких свидетельств излучения гравитационных волн и, следовательно, наложили верхние пределы на возможные силы фона гравитационных волн от вышеупомянутых трех источников.
В дополнение к двум вышеуказанным поискам мы также искали различные пространственные паттерны сигналов гравитационных волн в небе. В этом поиске мы искали фоновые сигналы гравитационных волн от протяженных источников в небе, таких как галактическая плоскость Млечного Пути . Мы не нашли веских доказательств таких закономерностей, поэтому установили верхние ограничения на гравитационно-волновой фон различных угловых размеров на небе.
Для анализа, представленного в этой статье, мы впервые использовали свернутые данные и конвейер на основе Python , что снизило вычислительные затраты более чем в 100 раз. С запланированными улучшениями текущих детекторов в будущем мы ожидаем чтобы иметь возможность обнаруживать анизотропии на фоне гравитационных волн. Подобно реликтовому излучению, будущее наблюдение за этой анизотропией может помочь нам понять эволюцию Вселенной.
ГЛОССАРИЙ
- Чувствительность : описание способности детектора обнаруживать сигнал. Детекторы с более низким уровнем шума способны обнаруживать более слабые сигналы, и поэтому говорят, что они имеют более высокую (или большую) чувствительность.
- Фазовый переход : термодинамическое превращение системы из одного состояния в другое. Пример фазового перехода - когда вода охлаждается и становится льдом. Краткое введение в фазовый переход во время ранней Вселенной.
- Первичные черные дыры : черные дыры, образовавшиеся сразу после Большого взрыва. Для получения дополнительной информации.
- Космический микроволновый фон (CMB) : электромагнитное излучение, исходящее от ранней стадии Вселенной, также известное как «реликтовое излучение».
- Взаимная корреляция : мера сходства двух (или более) наборов данных. Если обнаруживается корреляция данных двух отдельных детекторов гравитационных волн, это может свидетельствовать о наличии фона гравитационных волн (при условии исключения других возможных источников корреляции).
- Достоверный уровень : интервал, в пределах которого с определенной вероятностью попадает неопределенное значение параметра.
- Прогон наблюдений : период, в течение которого наши интерферометры работают в полную силу, собирая данные для последующего анализа. Третий сеанс наблюдений (O3) проходил с 1 апреля 2019 г. по 1 октября 2019 г., а затем был продолжен с 1 ноября 2019 г. по 27 марта 2020 г.
- Радиометрия : метод определения распределения мощности излучения, поступающего с разных направлений в пространстве.
- Верхний предел : максимальное значение наблюдаемого, не исключенное текущим экспериментом.
- Свернутые данные : из-за ежедневного вращения Земли вокруг своей оси почти каждые 24 часа наблюдаемое небо выглядит одинаково. Воспользовавшись этой временной симметрией, мы можем сжать весь набор данных за несколько сотен дней в один (звездный) день. Эти сжатые данные называются свернутыми данными.
