Odkryto, że soczewkowanie grawitacyjne ma znaczący wpływ na kosmiczną dwójłomność

Badacze zdołali uwzględnić efekt soczewkowania grawitacyjnego i teraz będą w stanie znaleźć oznaki naruszenia symetrii parzystości w polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła.

Wszechświat ma nieznaną dokładną wielkość, ale badania kosmologiczne dostarczają nam wglądu w jego naturę. Dzięki postępowi w kosmologii, naukowcy opracowali standardowy model kosmologiczny, oparty na podstawowej fizyce, który jest szeroko akceptowany. Jednak nadal istnieją fundamentalne kwestie, takie jak pochodzenie i rozmiar Wszechświata, które wymagają dalszych badań. Ciemna materia i ciemna energia są również zagadkami, których standardowy model nie potrafi w pełni wyjaśnić.

W 2020 roku odkryto nowe zjawisko w polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła (CMB) zwane kosmiczną dwójłomnością. Polaryzacja to właściwość fali świetlnej, która opisuje oscylacje prostopadłe do kierunku jej ruchu. Zwykle kierunek polaryzacji pozostaje stały, ale w pewnych okolicznościach może ulec obróceniu. Analiza danych CMB wykazała, że płaszczyzna polaryzacji światła CMB mogła nieznacznie obrócić się między czasem jego emisji we wczesnym Wszechświecie a dniem dzisiejszym. To naruszenie symetrii parzystości jest znane jako kosmiczna dwójłomność.

Istnieje możliwość, że jest to rezultat jeszcze nieznanego zjawiska, takiego jak cząstki aksjonopodobne (ALP), ponieważ kosmiczna dwójłomność nie może być w pełni wyjaśniona przy użyciu obecnych teorii fizycznych. Odkrycie kosmicznej dwójłomności może pomóc w zrozumieniu natury ciemnej materii i ciemnej energii, dlatego przyszłe misje skupiają się na dokładniejszych obserwacjach CMB.

Aby osiągnąć ten cel, istotne jest poprawienie precyzji obecnych obliczeń teoretycznych. Jednak dotychczasowe obliczenia nie były wystarczająco dokładne, ponieważ nie uwzględniały efektu soczewkowania grawitacyjnego.

Nowe badanie przeprowadzone przez zespół naukowców, na czele z doktorem Fumihiro Naokawą z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Tokijskiego oraz profesorem Toshiyą Namikawą z Center for Data-Driven Discovery i Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), przeprowadziło teoretyczne obliczenia kosmicznej dwójłomności, uwzględniając efekty soczewkowania grawitacyjnego. Te wyniki będą niezbędne do przyszłych analiz.

Na początku Naokawa i Namikawa opracowali równanie analityczne, które opisuje, jak efekt soczewkowania grawitacyjnego wpływa na sygnał kosmicznej dwójłomności. Wykorzystując to równanie, naukowcy wdrożyli nowy program do istniejącego kodu, aby obliczyć korektę soczewkowania grawitacyjnego. Następnie porównali różnicę między sygnałami z uwzględnieniem i bez uwzględnienia korekcji soczewkowania grawitacyjnego.

W wyniku badań naukowcy odkryli, że ignorowanie efektu soczewkowania grawitacyjnego powoduje, że obserwowany sygnał kosmicznej dwójłomności nie pasuje dobrze do teoretycznych przewidywań. Statystycznie odrzuca to prawdziwą teorię.

Dodatkowo, naukowcy przeprowadzili symulację danych obserwacyjnych, które zostaną zebrane w przyszłych obserwacjach, aby zbadać wpływ soczewkowania grawitacyjnego na poszukiwanie ALP. Odkryli, że jeśli efekt soczewkowania grawitacyjnego nie jest uwzględniany, występują istotne statystycznie systematyczne odchylenia w parametrach modelu ALP, które są oszacowane na podstawie obserwowanych danych. Te odchylenia nie dokładnie odzwierciedlają model ALP.

Narzędzie do korekcji soczewkowania grawitacyjnego opracowane w tym badaniu jest już dziś wykorzystywane w badaniach obserwacyjnych, a Naokawa i Namikawa będą nadal używać go do analiz danych dla przyszłych misji.

Szczegóły ich badania opublikowano w Physical Review D 27 września jako sugestia redaktorów.

Więcej informacji:

• Researchers find gravitational lensing has significant effect on cosmic birefringence
• Gravitational lensing effect on cosmic birefringence

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Źródło: IMPU

Na ilustracji: Wykres pokazujący spolaryzowane światło mikrofalowego promieniowania tła (CMB) poddane efektom soczewkowania grawitacyjnego, oprócz kosmicznej dwójłomności. Źródło: Naokawa and Namikawa, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.063525