Ученые придумали, как проверить, не ошибаются ли телескопы при измерении древнего света Вселенной

Космическое микроволновое фоновое излучение — это древнейший свет во Вселенной, сохранившийся с тех пор, когда ей было всего около 380 тысяч лет. Его карты позволяют ученым заглянуть в прошлое на 13,8 миллиардов лет назад. Недавно исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Анто И. Лонаппана, заслуженного профессора Брайана Китинга и доцента Кама Арнольда разработали новый метод проверки калибровки поляризационных детекторов. Они применили его к данным спутника Planck и показали, что их подход согласуется с уже известным анализом Минами-Комацу, подтверждая надежность калибровки, но не давая независимого абсолютного измерения космического двойного лучепреломления. Работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Свет, приходящий к нам из глубины времен, хранит следы событий, которые происходили в очень молодой Вселенной. Когда космос стал прозрачным, свободные электроны перестали постоянно рассеивать излучение, и возникла слабая линейная поляризация — упорядоченность колебаний световой волны. Этот процесс отчасти напоминает то, как солнечный свет поляризуется при рассеянии в атмосфере Земли. С тех пор этот древний свет путешествует сквозь пространство и время, и ученые пытаются понять, не повернулась ли плоскость его поляризации на крошечный угол. Если такое вращение действительно есть, оно может стать окном в физику за пределами Стандартной модели и подсказать что-то о темной материи и темной энергии.

Однако есть серьезная трудность. Даже самая незначительная ошибка в ориентации детекторов телескопа, чувствительных к поляризации, может создать эффект, почти неотличимый от космического вращения. Если смотреть только на сигнал реликтового излучения, невозможно понять, что именно произошло: то ли Вселенная повернула плоскость поляризации, то ли приборы откалиброваны с ошибкой. Оба варианта дают одинаковую картину. Именно поэтому так важны независимые способы проверки калибровки.

Команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложила остроумный подход. Вместо того чтобы пытаться выделить общее вращение, они решили сравнивать карты, построенные по разным группам детекторов. Если вращение действительно космическое, оно будет одинаковым для всех карт. А вот ошибки калибровки у разных детекторов могут различаться. Новый метод устроен так, что общее вращение при сравнении взаимно уничтожается, и остаются только различия в поляризационной калибровке между наборами детекторов. Это позволяет проверить, насколько хорошо эти наборы согласованы друг с другом.

«Искомый сигнал невероятно мал, поэтому мы должны быть уверены, что наблюдаем Вселенную, а не наш прибор, — говорит Анто Лонаппан. — Наш метод дает дополнительный способ проверить это различие. Прежде чем интерпретировать крошечное вращение как новую физику, мы хотим убедиться, что самой калибровке можно доверять».

Исследователи применили свой метод к восьми поляризационным картам, полученным спутником Planck. Затем они сравнили полученную картину калибровочных различий с той, которую дает общепринятый анализ Минами-Комацу, метод, использующий поляризацию галактического переднего плана для разделения инструментального и космического вращения. Оба подхода, несмотря на разные допущения, дали согласованный результат. Статистическая проверка показала, что расхождения невелики и укладываются в ожидаемые пределы.

Важно понимать, что новый метод намеренно нечувствителен к любому вращению, общему для всех карт. Поэтому он не может сам по себе измерить абсолютный угол космического двойного лучепреломления. Он лишь проверяет, насколько хорошо разные наборы детекторов откалиброваны относительно друг друга. Для абсолютного измерения нужен независимый калибровочный эталон. Чтобы продемонстрировать работоспособность подхода, ученые привязали свою дифференциальную реконструкцию к общему режиму калибровки, взятому из существующего анализа. В результате они воспроизвели угол космического двойного лучепреломления, равный 0,37 ± 0,12 градуса, что согласуется с результатами Минами-Комацу.

Поляризация реликтового излучения делится на два типа: E-моды и B-моды. E-моды, впервые обнаруженные в 2002 году, возникают из-за сдвигов плотности в ранней Вселенной и имеют симметричную структуру. B-моды выглядят как вихри. Их порождает гравитационное линзирование — искажение света реликтового излучения материей, лежащей между нами и ранней Вселенной. Такие B-моды уже наблюдались. Кроме того, первичные гравитационные волны могли бы создать дополнительный сигнал B-мод, который пока не найден. Если бы его удалось обнаружить, это стало бы убедительным доказательством существования гравитационных волн в ранней Вселенной и серьезно поддержало бы модели космической инфляции.

Новый метод калибровки может помочь в этих поисках. Ошибки в относительных углах детекторов способны превращать E-моды в ложные B-моды, создавая иллюзию сигнала, которого нет. Чем выше точность поляризационных измерений, тем важнее независимые проверки калибровки. Такие эксперименты, как те, что проводятся в обсерватории, где Брайан Китинг является главным исследователем, постепенно приближаются к уровню, на котором слабые сигналы можно будет надежно отличать от инструментальных эффектов.

В итоге исследование показало, что предложенный дифференциальный метод, не использующий модель поляризации переднего плана, дает картину калибровочных различий, согласующуюся с анализом Минами-Комацу. Это укрепляет уверенность в калибровочной основе уже полученных оценок космического двойного лучепреломления, хотя и не заменяет независимое абсолютное измерение. Метод опирается на существующие данные и может стать важным инструментом проверки для будущих анализов, основанных на EB-корреляциях.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях