Cercetătorii care investighează un fenomen cosmic misterios numit birefringență cosmică au creat o nouă abordare pentru a reduce incertitudinea modului în care este măsurat. Progresul, raportat în Physical Review Letters, ar putea îmbunătăți precizia observațiilor care investighează fizica fundamentală.
Studiul este primul care examinează cantitativ incertitudinea în unghiul de birefringență. Această măsurătoare este importantă deoarece poate oferi indicii despre teorii fizice necunoscute care încalcă simetria stânga-dreapta a universului. De asemenea, ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine materia întunecată și energia întunecată.
Fondul cosmic de microunde (CMB), care este strălucirea slabă lăsată în urmă de Big Bang, conține informații valoroase despre universul timpuriu. Observațiile recente sugerează că polarizarea acestei lumini antice ar putea suferi o ușoară rotație. Acest efect este cunoscut sub numele de birefringență cosmică.
Oamenii de știință suspectează că această rotație subtilă ar putea fi legată de particule elementare ipotetice numite axioni. Determinarea precisă a cantității de rotație, cunoscută sub numele de unghi de birefringență, este, prin urmare, esențială pentru testarea posibilelor fizici noi. Cercetătorii măsoară acest unghi prin analizarea forței unui semnal numit corelația CMB EB. Studii anterioare au estimat că unghiul de rotație este de aproximativ 0,3 grade.
Echipa de cercetare a fost condusă de doctorandul Fumihiro Naokawa de la Școala Universitară de Științe din Tokyo, lucrând cu profesorul asociat de proiect Toshiya Namikawa de la Institutul Kavli pentru Fizică și Matematică a Universului (Kavli IPMU, WPI). Analiza lor a examinat cu atenție incertitudinile care afectează măsurătorile birefringenței cosmice. Rezultatele lor sugerează că unghiul de rotație ar putea fi de fapt mai mare decât valoarea raportată anterior de aproximativ 0,3 grade.
"Puteți spune ce zi este, doar uitându-vă la un ceas? Nu, nu puteți. Pentru a determina data de la acele ceasului, trebuie să știți de câte ori s-au rotit acele de la o anumită dată și oră de referință. În termeni științifici, o situație ca aceasta cu acele ceasului - unde observarea doar a stării actuale nu dezvăluie de câte ori au avut loc rotații în trecut - este descrisă ca având o ambiguitate de fază de 360 de grade."
"Ca un ceas, CMB-ul pe care îl putem observa este doar în starea sa actuală. Prin urmare, unghiurile de rotație, cum ar fi 0,3 grade, 180,3 grade și 360,3 grade ar trebui să fie indistinguibile. Aceasta înseamnă că unghiul de birefringență are o ambiguitate de fază de 180 de grade", a spus Naokawa.
Pentru a aborda această problemă, cercetătorii au dezvoltat o tehnică pentru a rezolva ambiguitatea. Ei au descoperit că forma detaliată a semnalului de corelație EB conține indicii despre de câte ori s-ar fi putut roti direcția de polarizare. Prin analizarea acestor caracteristici subtile din semnalul de corelație EB, oamenii de știință ar putea fi capabili să determine unghiul de rotație real și să elimine ambiguitatea.
Noua metodă oferă un instrument pentru analiza viitoarelor observații de înaltă precizie ale birefringenței cosmice. Experimente viitoare, inclusiv Observatorul Simons și LiteBIRD, ar putea utiliza această tehnică pentru a testa noi modele teoretice ale fizicii fundamentale.
Echipa a descoperit, de asemenea, că atunci când se ia în considerare această incertitudine de fază, birefringența cosmică influențează un alt semnal în fondul cosmic de microunde cunoscut sub numele de corelație EE. Oamenii de știință folosesc corelația EE pentru a estima "adâncimea optică" a Universului, o cantitate importantă pentru studierea reionizării cosmice. Datorită acestei conexiuni, noile descoperiri ar putea necesita ca cercetătorii să revizuiască măsurătorile adâncimii optice raportate anterior.
Într-un studiu separat, publicat, de asemenea, în Physical Review Letters, Naokawa a examinat modalități de reducere a erorilor introduse de telescoape la măsurarea birefringenței cosmice. El a propus o metodă de confirmare a efectului prin observarea anumitor surse astronomice, inclusiv galaxii radio alimentate de găuri negre supermasive. Aceste observații ar putea oferi o altă modalitate de a verifica birefringența cosmică și ar putea ajuta oamenii de știință să descopere perspective mai profunde asupra naturii energiei întunecate.