Астрофизики впервые измерили поляризацию космического микроволнового излучения

Телескоп "Хуан Тран" в пустыне Атакама, при помощи которого проводятся наблюдения
(фото UC Berkeley).

Микроволновое фоновое излучение — одно из немногих явлений, оставшихся во Вселенной со времён Большого взрыва по сей день. Оно образовалось в момент зарождения пространства-времени, и сегодня, изучая его свойства, физики получают возможность раскрыть некоторые тайны нашего мира.

Так, в марте 2013 года руководители миссии "Планк" составили самую точную карту реликтового излучения и совершили с её помощью ряд впечатляющих открытий. В рамках проекта POLARBEAR, которым руководит команда из Калифорнийского университета в Беркли, учёные решили изучить микроволновой фон Вселенной в больших подробностях. Исследователи измерили поляризацию древнего космического света при помощи приборов обсерватории в чилийской пустыне Атакама.

В статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal, астрофизики под руководством Адриана Ли (Adrian Lee) описывают эксперимент по первому успешному измерению B-моды поляризации космического микроволнового фона, вызванной эффектом гравитационного микролинзирования.

Поляризация является характеристикой электромагнитного поля, которая отражает направление и особенности распространения волн. B-мода поляризации фонового реликтового излучения является наряду с E-модой одной из поляризованных компонент излучения. При этом первая компонента может быть инициирована инфляционным расширением Вселенной после Большого взрыва или же воздействием гравитационных линз, когда свет проходит через массивные, искривляющие пространство-время объекты, такие как скопления галактик.

"Наше исследование заключалось в демонстрации того, что B-моду поляризации можно измерить отдельно, наблюдая непосредственно лишь тот свет, который прошёл через гравитационную линзу. Тем самым мы показали, что можно поймать базовые сигналы, которые позволят измерять массы частиц нейтрино и даже искать тёмную материю и тёмную энергию", — рассказывает Ли в пресс-релизе.

Напомним, что с микроволновым фоновым излучением работала и команда BICEP2, которая в июне 2014 года рассказала об обнаружении загадочных гравитационных волн, непосредственно доказав тот факт, что во времена космологической инфляции, то есть спустя всего 380 тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная расширялась со скоростью, превышающую световую.

Тем не менее, спустя несколько месяцев команда независимых исследователей из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики продемонстрировала научному сообществу, что в рамках проекта BICEP2 учёные могли увидеть вовсе не следы гравитационных волн, а простой фоновый эффект от галактической пыли.

Телескоп "Хуан Тран" в пустыне Атакама, при помощи которого проводятся наблюдения (фото UC Berkeley).

Исследование, которое проводил Ли и его коллеги в рамках миссии POLARBEAR, потенциально способно разрешить этот спор между астрофизиками.

Разбираясь в ранней истории Вселенной, учёные также смогут найти ответ на волнующий вопрос о том, как появилась тёмная энергия, ныне провоцирующая ускоряющееся расширение Вселенной. Дело в том, что без неё, обладая лишь гравитационной силой, наше пространство-время уже давно должно было бы схлопнуться.

Как мы уже упомянули, проект POLARBEAR изучает B-моду поляризации излучения, наличие которой у света означает, что он прошёл через некую гравитационную линзу. В отличие от установок BICEP2, POLARBEAR ориентирован не только на крупный, но и на малый угловой масштаб, то есть он способен измерить угол направления электрического поля с разрешением в масштабе около трёх угловых минут. Таким образом, учёные получили возможность измерять даже массы объектов-гравитационных линз, через которые прошёл свет и получил свою особую поляризацию.

Поляризация реликтового излучения регистрирует мельчайшие колебания плотности общего фона ранней эпохи жизни Вселенной. Они впоследствии стали крупными массивными космическими структурами. Около 13,8 миллиардов лет назад Вселенная была настолько плотной и горячей, что свет бесконечно скакал от одной частицы к другой, постоянно рассеиваясь и ионизируя атомы, которые успевали сформироваться.

"В те времена Вселенная была довольно просто устроена: одна водородная плазма и тёмная материя", — поясняет Ли.

Методики проекта POLARBEAR позволяют отличить B-моду поляризации от стандартной E-моды, выявляя свет, прошедший через крупные гравитационные линзы (иллюстрация UC Berkeley).

Тёмная материя, впрочем, как уже известно, существует во Вселенной и сегодня. Её скопления оказывают гравитационное влияние на окружающие объекты, заставляя их обращаться вокруг неё или же удерживаться вместе. Тем не менее, частицы этой субстанции не участвуют в электромагнитном взаимодействии и потому "невидимы" для современных приборов.

Уникальность методики Ли по измерению B-моды поляризации излучения заключается ещё и в том, что она позволяет установить, проходил ли свет через крупные сгустки тёмной материи (которые также могут выступать в роли гравитационных линз) и какова масса этого сгустка.

Авторы проекта утверждают, что возможность погрешности исключена. Столь точное измерение поляризации излучения позволяет чётко различать фотоны, поляризованные межзвёздной пылью (основной источник фоновых эффектов, регистрируемых в экспериментах), и фотоны, которые прошли сквозь далёкие гравитационные линзы на ранних этапах существования Вселенной.

"Мы абсолютно уверены, что B-мода поляризации света, которую мы наблюдаем, имеет космологическое, а не галактическое происхождение", — утверждает соавтор исследования Кам Арнольд (Kam Arnold) из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

На данный момент учёные уже составили карты поляризованного излучения в B-моде трёх небольших участков неба. Дальнейшее картографирование обозримого космоса позволит узнать больше о том, как выглядела Вселенная задолго до появления звёзд и галактик, и почему она так парадоксально ведёт себя сегодня. 

Сегодня