Ученые наблюдали искажения в поляризации космического микроволнового фона — света, который в последний раз взаимодействовал с веществом очень рано в истории Вселенной, менее чем через 400 000 лет после большого взрыва. Эти паттерны, известные как «B-моды», вызваны гравитационным линзированием, явлением, которое возникает, когда траектория света искривляется массивными объектами, подобно тому, как линза фокусирует свет.
Межведомственное сотрудничество исследователей под руководством Джона Карлстрома, заслуженного профессора астрономии С. Чандрасекара. Открытие сделали астрофизики из Чикагского университета. Они объявили о своих выводах в статье, опубликованной 30 сентября 2013 года в журнале Physical Review Letters, с использованием первых данных SPTpol, поляризационно-чувствительной камеры, установленной на телескопе в январе 2012 года.«Обнаружение поляризации в B-моде телескопом Южного полюса является важной вехой, техническим достижением, которое указывает на грядущую захватывающую физику», — сказал Карлстром.
Космический микроволновый фон — это море фотонов (легких частиц), оставшихся после Большого взрыва, которое пронизывает все пространство, при температуре минус 270 градусов по Цельсию — всего на 3 градуса выше абсолютного нуля. Измерения этого древнего света уже дали физикам обширные знания о свойствах Вселенной. Крошечные колебания температуры света были тщательно нанесены на карту неба с помощью многочисленных экспериментов, и ученые собирают еще больше информации из поляризованного света.Свет поляризован, когда его электромагнитные волны преимущественно ориентированы в определенном направлении.
Свет космического микроволнового фона поляризован в основном из-за рассеяния фотонов на электронах в ранней Вселенной, в результате того же процесса, посредством которого свет поляризуется при отражении от поверхности озера или капота автомобиля. Образцы поляризации, которые возникают в результате, относятся к типу без завихрений, известному как «E-моды», которые оказалось легче обнаружить, чем более слабые B-моды, и впервые были измерены десять лет назад при сотрудничестве исследователей с использованием угловой шкалы Degree Angular Scale. Интерферометр, еще один эксперимент под руководством Калифорнийского университета в Чикаго.
B-моды не могут быть сгенерированы простым рассеянием, вместо этого они указывают на более сложный процесс — отсюда и интерес ученых к их измерению.
Давно предсказывалось, что гравитационное линзирование может превращать E-моды в B-моды, когда фотоны проходят мимо галактик и других массивных объектов на своем пути к Земле. Теперь это ожидание подтвердилось.Чтобы выделить B-моды в своих данных, ученые использовали ранее измеренную карту распределения массы во Вселенной, чтобы определить, где должно произойти гравитационное линзирование. Они объединили свои измерения E-мод с распределением масс, чтобы получить шаблон ожидаемого перекручивания в B-моды.
В настоящее время ученые работают с данными еще за год, чтобы еще больше уточнить свои измерения B-мод.Тщательное изучение таких B-мод поможет физикам лучше понять Вселенную.
Шаблоны можно использовать для отображения распределения массы, тем самым более точно определяя космологически важные свойства, такие как массы нейтрино, крошечных элементарных частиц, преобладающих во всем космосе.Подобные, более неуловимые B-моды предоставили бы убедительные доказательства инфляции, теоретического турбулентного периода в моменты после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась чрезвычайно быстро. Инфляция — это хорошо известная теория среди космологов, потому что ее предсказания согласуются с наблюдениями, но до сих пор нет окончательного подтверждения теории.
Измерение B-мод, вызванных инфляцией, — один из возможных способов развеять сохраняющиеся сомнения.«Обнаружение первичного поляризационного сигнала B-моды в микроволновом фоне означало бы обнаружение первых толчков Большого взрыва», — сказал ведущий автор исследования Дункан Хэнсон, научный сотрудник Университета Макгилла в Канаде.
B-моды от инфляции вызваны гравитационными волнами. Эта рябь в пространстве-времени вызвана сильной гравитационной суматохой — условиями, которые существовали бы во время инфляции.
Эти волны, растягивая и сжимая ткань Вселенной, могли бы привести к характерным искаженным картинам поляризации B-мод. Измерение результирующей поляризации не только подтвердило бы теорию инфляции — огромное научное достижение само по себе — но также дало бы ученым информацию о физике при очень высоких энергиях — гораздо более высоких, чем можно получить с помощью ускорителей частиц.
Измерение B-мод с помощью гравитационного линзирования — важный первый шаг в поисках измерения инфляционных B-мод. При поиске в инфляционном режиме B режимы линзирования B отображаются как шум. «Новый результат показывает, что этот шум можно учесть и вычесть, чтобы ученые могли искать и, надеюсь, измерять инфляционные B-моды под ним», — сказал Хэнсон. «Сам по себе линзирующий сигнал может быть использован сам по себе, чтобы узнать о распределении массы во Вселенной».