Найдавніше світло у Всесвіті — космічне мікрохвильове тло — може бути злегка «закрученим». Аналіз його поляризації натякає, що напрямок поляризації за 13,8 мільярда років подорожі трохи повернувся, явище відоме як космічна двопроменезаломлюваність. Однак дуже схожий сигнал може виникати й через мікроскопічну похибку в орієнтації детекторів телескопа, тож дослідникам потрібно ретельно відрізнити одне від іншого, пише Newswise Science News.
Що саме вимірюють у найстарішому світлі
Космічне мікрохвильове тло (CMB) — це залишкове теплове випромінювання, яке утворилося приблизно через 380 тисяч років після Великого вибуху, коли Всесвіт став прозорим для світла. У цей момент розсіяння фотонів на вільних електронах створило невелику лінійну поляризацію — подібно до того, як поляризується сонячне світло у земній атмосфері.
Під час подорожі крізь космос ця поляризація, згідно з деякими аналізами, могла трохи повернутися. Якщо це підтвердиться, космічна двопроменезаломлюваність стане ознакою фізики за межами Стандартної моделі та може дати підказки щодо природи темної матерії й темної енергії.
Проблема в тому, що навіть мізерна помилка в куті орієнтації поляризаційних детекторів телескопа імітує практично той самий ефект, що й справжній космічний поворот. Лише з самого сигналу CMB неможливо відрізнити рівномірну космічну ротацію від однакової систематичної помилки у всіх детекторах.
Новий спосіб «калібрувати калібратори»
Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго запропонували спосіб перевірки відносної калібровки поляризаційного кута різних наборів детекторів. Команда розробила новий статистичний оцінювач і застосувала його до вже наявних даних космічного апарата Planck Європейського космічного агентства.
Підхід базується на порівнянні карт неба, побудованих окремими групами детекторів. Якщо існує справжня космічна ротація поляризації, вона буде спільною для всіх карт і при порівнянні скасується. Те, що залишиться, — це відмінності у власній калібровці кожного набору детекторів.
Такий метод дає «додаткову перевірку»: якщо спостерігається крихітне обертання, дослідники можуть впевненіше сказати, чи походить воно від приладу, чи від Всесвіту. Перед тим як трактувати мінімальний поворот як ознаку нової фізики, потрібно бути певним, що сама калібровка надійна.
Метод був застосований до восьми поляризаційних карт Planck. Отриманий «візерунок» калібровки порівняли з результатами вже відомого аналізу Мінамі—Комацу (Minami–Komatsu), який також розділяє інструментальний поворот і космічну двопроменезаломлюваність, але спирається на інші припущення. Обидва підходи виявилися узгодженими.
Спеціально нова техніка чутлива лише до відмінностей між картами і «не бачить» повороту, спільного для всіх. Вона добре визначає, наскільки узгоджено між собою відкалібровані різні детектори, але не встановлює абсолютний кут поляризації й саму величину космічної двопроменезаломлюваності. Для цього все ще потрібен незалежний еталон абсолютної калібровки.
У демонстраційних цілях команда «прив’язала» свою диференціальну реконструкцію до загального режиму калібровки, отриманого попереднім аналізом. Так вдалося відтворити кут космічної двопроменезаломлюваності 0,37 ± 0,12 градуса, узгоджений із результатами Мінамі—Комацу.
E-моди, B-моди й пошук нового стандарту
У поляризації CMB виокремлюють два типи структур: E-моди й B-моди. E-моди, відкриті у 2002 році, виникають унаслідок неоднорідностей густини матерії й мають симетричні малюнки. B-моди нагадують вихрові, «завихрені» структури.
Частина B-мод уже спостерігається та пояснюється гравітаційним лінзуванням — спотворенням шляху CMB речовиною між нами та раннім Всесвітом. Інша, ще не знайдена складова B-мод може бути зумовлена первинними гравітаційними хвилями. Їхнє виявлення стало б потужним доказом певних моделей космічної інфляції й поведінки гравітації в наймолодшому Всесвіті.
Нова калібровочна методика може допомогти в пошуках таких первинних B-мод. Невеликі помилки у куті поляризації перетворюють E-моди на хибні B-моди, тому здатність точно виявляти й виправляти відносні помилки калібровки є критичною.
У міру того як експерименти, зокрема обсерваторія Simons, де один з авторів дослідження є головним науковцем, досягають дедалі вищої точності вимірювань поляризації, незалежні перевірки калібровки стають обов’язковою умовою перед оголошенням будь-якого слабкого сигналу свідченням нової фізики.
Вікно за межі Стандартної моделі
Стандартна модель елементарних частинок успішно описує багато явищ, але не дає відповіді на ключові питання: що таке темна матерія, як виникла темна енергія і чому її спостережувана величина саме така. Разом ці дві компоненти становлять близько 95% енергетичної щільності Всесвіту.
Якщо космічну двопроменезаломлюваність буде переконливо підтверджено, одним із можливих пояснень може бути аксіоноподібне поле, з’єднане зі світлом. Такі частинки поки що гіпотетичні й не обов’язково мають бути самою темною матерією. Інші теорії пов’язують явище з полями, відповідальними за темну енергію.
Тому виявлення космічної двопроменезаломлюваності відкрило б нове вікно на найбільші загадки сучасної фізики та дало б рідкісний шанс перевірити сценарії, що виходять за межі нинішнього «стандарту».