O nouă metodă de verificare a unei posibile răsuciri cosmice în cea mai veche lumină a universului
Radiația cosmică de fond în microunde (CMB) reprezintă cea mai veche lumină a universului, o radiație termică reziduală din perioada de aproximativ 380.000 de ani de după Big Bang. Hărțile CMB oferă o imagine a universului timpuriu așa cum arăta acum aproximativ 13,8 miliarde de ani. La circa 380.000 de ani după Big Bang, împrăștierea radiației de către electronii liberi a generat o cantitate mică de polarizare liniară pe măsură ce universul a devenit transparent, un proces oarecum analog cu polarizarea produsă atunci când lumina solară se împrăștie în atmosfera Pământului.
Oamenii de știință au identificat indicii că această polarizare s-ar fi putut roti ușor în timpul călătoriei sale prin cosmos. Dacă ar fi confirmat, acest fenomen, cunoscut sub numele de birefringență cosmică, ar putea oferi dovezi pentru o fizică dincolo de Modelul Standard și, potențial, indicii despre natura materiei întunecate și a energiei întunecate. Totuși, chiar și o eroare minusculă în orientarea detectorilor de polarizare ai unui telescop poate produce aproape exact același efect.
Cercetătorii de la UC San Diego au dezvoltat o metodă de testare a calibrării relative a unghiului de polarizare pentru diferite seturi de detectoare. Echipa a creat un nou estimator și l-a aplicat observațiilor existente de la satelitul Planck al Agenției Spațiale Europene. Studiul, condus de cercetătorul postdoctoral Anto I. Lonappan, profesorul distins de fizică Brian Keating și profesorul asociat de fizică Kam Arnold, apare în The Astrophysical Journal Letters.
Analizele recente au sugerat că polarizarea CMB s-ar fi putut roti cu doar o fracțiune de grad în aproape 14 miliarde de ani. Dificultatea constă în faptul că aceeași rotație poate fi produsă dacă detectoarele sensibile la polarizare ale unui telescop sunt miscalibrate cu un unghi similar de mic. Din semnalul CMB singur, oamenii de știință nu pot distinge între o rotație cosmică uniformă și o eroare comună în orientarea detectorului, deoarece ambele produc exact același efect observat.
Echipa de la UC San Diego a abordat problema comparând hărți realizate din diferite grupuri de detectoare. O rotație cosmică autentică ar fi comună tuturor hărților. În noua metodă, acea rotație comună se anulează atunci când hărțile sunt comparate, lăsând doar diferențele în calibrarea lor de polarizare. „Semnalul pe care îl căutăm este incredibil de mic, așa că trebuie să fim siguri că vedem universul și nu instrumentul nostru”, a declarat Lonappan. „Metoda noastră ne oferă o modalitate complementară de a verifica această distincție.”
Echipa a aplicat metoda pe opt hărți de polarizare Planck și a comparat modelul de calibrare rezultat cu cel obținut din analiza consacrată cunoscută sub numele de analiza Minami–Komatsu. Cele două abordări au fost consistente, în ciuda faptului că se bazează pe ipoteze diferite.
Noua tehnică este intenționat insensibilă la orice rotație comună tuturor hărților. Prin urmare, poate determina cât de bine sunt calibrate diferitele seturi de detectoare unul față de celălalt, dar nu poate stabili singură unghiul de polarizare global sau semnalul absolut de birefringență cosmică. Acest lucru necesită încă o referință independentă de calibrare absolută. Ca demonstrație condiționată, cercetătorii au ancorat reconstrucția diferențială la modul comun de calibrare dedus de analiza existentă, reproducând un unghi de birefringență cosmică de 0,37 ± 0,12 grade, consistent cu Minami–Komatsu.
Există două tipuri de polarizare CMB: modurile E și modurile B. Modurile E, detectate pentru prima dată în 2002, sunt create de schimbările de densitate din univers și au modele simetrice. Modurile B au modele asemănătoare cârlionților. Lentila gravitațională produce moduri B care au fost deja observate, în timp ce undele gravitaționale primordiale ar putea produce un semnal suplimentar de mod B care nu a fost încă detectat. Descoperirea modurilor B primordiale ar oferi dovezi puternice despre undele gravitaționale din universul timpuriu și ar putea susține puternic anumite modele de inflație cosmică.
Metoda de calibrare dezvoltată la UC San Diego ar putea sprijini căutările modurilor B primordiale prin identificarea erorilor relative de calibrare unghiulară care convertesc modurile E în moduri B false. Pe măsură ce experimente precum cele de la Observatorul Simons, unde Keating este investigator principal, împing măsurătorile de polarizare spre o precizie din ce în ce mai mare, verificările independente de calibrare vor deveni o garanție importantă înainte ca semnalele foarte mici să fie interpretate ca dovezi pentru o fizică nouă. „Detectarea modurilor B primordiale ar transforma înțelegerea noastră despre universul timpuriu, așa că măsurătoarea trebuie să treacă verificări riguroase de calibrare”, a declarat Keating.
