Космічне мікрохвильове випромінювання виявило можливий зсув поляризації

Світло, що заповнює Всесвіт, несе в собі відбиток дуже давніх подій. Це космічне мікрохвильове тло (CMB) — випромінювання, яке вирушило в дорогу понад 13 мільярдів років тому, коли Всесвіт достатньо охолов і став прозорим. Новий аналіз цього «давнього світла», проведений на основі даних апарата «Планк», вказує, що в ньому може бути закодований тонкий глобальний зсув поляризації, відомий як космічна бірефрингенція. Про це пише Universe Today.

Як поляризація вписана в давні фотони

Коли приблизно через 380 тисяч років після Великого вибуху Всесвіт став оптично прозорим, фотони космічного мікрохвильового фону востаннє розсіювалися на атомах водню. Саме ця «останнє розсіювання» і надало їм поляризацію — впорядковану орієнтацію коливань електромагнітної хвилі.

На початку поляризація цих фотонів була хаотичною, без виразної великомасштабної структури. Але за мільярди років міжгалактичних подорожей світло могло зазнати різних впливів, які змінили цю картину.

У космології розрізняють два основні типи поляризації CMB на масштабах, що можна спостерігати: E-моди та B-моди. E-моди виглядають так, ніби орієнтації поляризації «випромінюються» з певних ділянок чи, навпаки, стікаються в них. B-моди виглядають як зсунутий, «закручений» візерунок відносно навколишніх областей.

Що створює E- та B-моди

E-модова поляризація виникає переважно через температурні варіації в самому космічному мікрохвильовому тлі. Її вперше виявили у 2002 році інтерферометром DASI. Подальші спостереження показали, що карта E-модів добре узгоджується з температурними флуктуаціями, які зафіксував «Планк» — ще один важливий аргумент на користь стандартної картини Великого вибуху.

B-моди вперше повідомили у 2014 році, але ці результати супроводжувалися значною дискусією, зокрема навколо експерименту BICEP2. Причина в тому, що B-моди мають кілька можливих джерел. Найпоширеніше — гравітаційне лінзування: коли вже поляризоване за типом E світло проходить поблизу галактик, гравітація трохи «підкручує» його поляризацію, частково перетворюючи E-моди на B-моди.

Інший, особливо цікавий шлях появи B-модів — первинні гравітаційні хвилі, що могли виникнути під час раннього космічного розширення (інфляції). Цей швидкий «розгін» Всесвіту мав би збудити гравітаційні хвилі, які залишили б в CMB характерний B-модовий слід. Саме його й спершу заявляв BICEP2, але згодом з’ясувалося, що важливу роль відіграв космічний пил.

Космічна бірефрингенція: очікуваний нуль і підозрілий сигнал

У межах стандартної космологічної моделі поляризація CMB на дуже великих масштабах не повинна мати загального зсуву в певний бік. Подібно до того, як галактики утворюють скупчення, але загалом розподілені однорідно в усіх напрямках, поляризація в середньому має «обнулятися».

Якщо ж у Всесвіті існує невелика глобальна переорієнтація поляризації, це явище називають космічною бірефрингенцією — «подвійним преломленням» космічного світла. Стандартна модель передбачає, що її величина має бути нульовою. Однак у 2020 році одне дослідження, що аналізувало поляризаційні дані «Планка», знайшло невелике, але відмінне від нуля значення.

Якби цей результат підтвердився, це означало б, що наша базова модель Всесвіту або неправильна, або неповна. Та залишалася суттєва проблема: відокремити реальний космічний ефект від прихованих систематичних помилок вимірювання.

Новий тест на упередження спостережень

Щоб краще перевірити сигнал, команда авторів нового дослідження запропонувала інший підхід до аналізу. Замість того, щоб оцінювати лише фінальну об’єднану карту CMB, вони розділили дані на окремі спостережні набори й порівняли їх статистично.

Логіка методу така: якщо космічна бірефрингенція справді існує, зсув поляризації має проявлятися з однаковим знаком і приблизно однаковою величиною в усіх наборах даних. Якщо ж сигнал зумовлений інструментальними або методичними похибками, вони, ймовірно, відрізнятимуться від набору до набору.

На практиці дослідники застосували цей тест до восьми карт поляризації, які отримав «Планк». Виявилося, що невеликий зсув поляризації, про який повідомляло дослідження 2020 року, поводиться так, ніби він має космічне, а не інструментальне походження.

Результат підтримує гіпотезу про те, що космічна бірефрингенція може бути реальною, хоча статистичної значущості все ще недостатньо, щоб оголосити її достеменно встановленою.

Що це може означати для космології

Як і попередня робота, новий аналіз не дає остаточної відповіді, але зміцнює підозру, що в нашій картині Всесвіту бракує якогось важливого елемента. Якщо космічна бірефрингенція справжня, це може свідчити, що космос на великих масштабах не зовсім однорідний або ж у ньому існують незвичайні частинки темної матерії, які буквально «закручують» поляризацію світла.

Поки що все залишається на рівні натяків. Для розв’язання загадки потрібні нові, точніші вимірювання поляризації космічного мікрохвильового фону іншими приладами та місіями. Від того, чи підтвердиться цей тонкий «поворот давнього світла», може залежати наше розуміння фундаментальних законів космології.