Реликтовое излучение содержит ответы на важнейшие вопросы физики

5 сентябрь, 2014 - 11:58Леонид Бараш

Астрофизики из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC) измерили слабые гравитационные искажения поляризованного излучения ранней Вселенной и обнаружили, что эти древние микроволны могут послужить для важной космологической проверки общей теории относительности Эйнштейна. Эти измерения могут сузить оценку массы призрачных субатомных частиц, известных как нейтрино.

Излучение может даже обеспечить физиков ключами к другим известным проблемам нашей Вселенной: как невидимая «темная материя» и «темная энергия», которые не могут быть обнаружены с помощью современных телескопов, распределяются по всей Вселенной.

Ученые из UC измерили изменения в поляризации микроволн, исходящих из космического микроволнового фона, или реликтового излучения ранней Вселенной. Подобно плоскополяризованному свету (который колеблется в одном направлении), поляризованная "B-мода" микроволн, которую ученые обнаружили, была образована при рассеянии реликтового излучения ранней Вселенной на электронах 380000 лет после Большого взрыва, когда космос достаточно охладился, чтобы позволить протонам и электронам объединяться в атомы.

Астрономы надеялись, что уникальная сигнатура B-моды поляризации от раннего космоса позволит им эффективно «увидеть» части Вселенной, которые невидимы для оптических телескопов, поскольку гравитация от более плотных частей Вселенной притягивает поляризованный свет, слегка отклоняя его путь в космосе за время путешествия к Земле, составляющее 13,8 млрд. лет. Они надеялись, что процесс, называемый «слабая гравитационная фокусировка» - искажения в структуре B-моды поляризации, - позволит астрономам создать карту областей Вселенной, заполненных невидимой «темной материей» и «темной энергией», а также предоставит тест для общей теории относительности в космологических масштабах.

Недавнее открытие подтверждает оба предположения. Измеряя характеристики поляризации реликтового излучения, предоставляемые PolarBear, коллектив астрономов, работающих на специально созданном для обнаружения «B-моды» поляризации телескопе в высокогорной пустыне на севере Чили, обнаружил слабую гравитационную фокусировку излучения, что позволило астрономам сделать детальные карты структуры Вселенной, ограничить оценки массы нейтрино и обеспечить надежный тест для общей теории относительности.

«Такие измерения с использованием данных поляризации реликтового излучения были сделаны впервые нами, - сказал Чан Фэн (Chang Feng), ведущий автор статьи и аспирант Калифорнийского университета в Сан-Диего, который проводил свое исследование с доц. Брайаном Китингом (Brian Keating), со-руководителем эксперимента PolarBear. - Это было первое прямое измерение фокусировки поляризованного реликтового излучения. И самое удивительное в том, что величина фокусировки, которую мы обнаружили с помощью этих расчетов, согласуется с тем, что предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Таким образом, мы теперь имеем способ проверки общей теории относительности на космологической шкале».

Эксперимент PolarBear исследовал небольшой участок неба (квадрат с угловыми размерами 30 градусов) для составления карт с высоким разрешением поляризации в В-моде, что позволило команде определить, что амплитуда гравитационных колебаний, которую они измеряли, согласуется с ведущей теоретической моделью Вселенной, известной как космологическая модель Lambda Cold Dark Matter. Еще одна команда, называемая BICEP2, с которой сотрудничает группа доц. Китинга, базировалась при Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики. Она использовала телескоп на Южном полюсе, чтобы изучить B-моду поляризации в широкой полосе обзора неба. В марте она объявила, что нашла доказательства короткого и очень быстрого расширения ранней Вселенной, называемого инфляцией.

Одним из наиболее важных вопросов в физике, который может быть решен на основе этих данных, является масса слабовзаимодействующих нейтрино, которые, как считалось, не имеют массы. Но современные пределы показывают, что нейтрино имеют массу ниже 1,5 электрон-вольт. Фэн сказал, что данные B-моды поляризации в его исследовании, хотя и согласуются с предсказаниями общей теории относительности, не являются еще достаточно статистически значимыми, чтобы сделать любые твердые заявления о массе нейтрино. Но в течение следующего года он и Китинг надеются проанализировать достаточное количество данных PolarBear и его инструмента-преемника Simons Array, чтобы получить большую определенность относительно массы нейтрино.

«Это исследование является первым шагом на пути применения поляризационной фокусировки в качестве зонда для измерения массы нейтрино, используя всю Вселенную в качестве лаборатории», - сказал Фэн.
«В конце концов мы сможем положить достаточно нейтрино на «весы», чтобы точно измерить их массу, - отметил доц. Китинг. - Используя инструменты, разработанные Чан, всего лишь вопрос времени, чтобы взвесить нейтрино, единственную фундаментальную элементарную частицу, масса которой неизвестна. Это было бы поразительное достижение для астрономии, космологии и самой физики».

Реликтовое излучение содержит ответы на важнейшие вопросы физики

Астрофизики из UC Сан-Диего использовали телескоп HuanTran в Чили, чтобы измерить поляризацию реликтового излучения