Najstarsze światło Wszechświata mogło się skręcić. Początek polowania na nową fizykę

Jeśli chcemy zobaczyć Wszechświat takim, jaki był niemal na samym początku jego historii, nie musimy budować wehikułu czasu. Wystarczy spojrzeć na mikrofalowe promieniowanie tła, czyli CMB (Cosmic Microwave Background). To wiadomość sprzed 13,8 mld lat i najstarsze światło, jakie możemy dziś obserwować. Powstało około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu, kiedy młody Wszechświat po raz pierwszy stał się przezroczysty dla światła.

Wcześniej kosmos przypominał niezwykle gorącą, gęstą zupę cząstek. Fotony nie mogły swobodnie podróżować, ponieważ nieustannie zderzały się z elektronami. Dopiero gdy Wszechświat wystarczająco się ochłodził, elektrony zaczęły łączyć się z jądrami atomowymi. Liczba swobodnych elektronów gwałtownie spadła, a światło mogło ruszyć w swoją niezwykle długą podróż.

To właśnie to promieniowanie dociera do nas dzisiaj. Na mapach mikrofalowego promieniowania tła widzimy więc obraz Wszechświata z bardzo wczesnego etapu jego istnienia. Drobne różnice temperatur i rozkładu materii zapisane w tym świetle stały się później zalążkami galaktyk i całych kosmicznych struktur.

Co ciekawe, mikrofalowe promieniowanie tła nie niesie wyłącznie informacji o temperaturze. Światło jest również spolaryzowane, a sposób ułożenia jego polaryzacji może być dla fizyków niezwykle cenną wskazówką.

Polaryzację światła można w uproszczeniu wyobrazić sobie jako określenie kierunku, w którym drgają fale elektromagnetyczne. Jeżeli taki kierunek podczas podróży przez kosmos uległby bardzo niewielkiemu obrotowi, naukowcy mogliby spróbować go wykryć.

Takie zjawisko nosi nazwę kosmicznej dwójłomności. Nie chodzi tutaj o zwykłe zakrzywienie światła przez grawitację. Hipotetyczny efekt oznaczałby, że sama fizyka próżni działająca na światło pozostawiła po sobie ślad w jego polaryzacji. Taki sygnał mógłby wskazywać na zjawiska wykraczające poza obowiązujący dziś Model Standardowy fizyki cząstek, a w niektórych scenariuszach dostarczyć wskazówek dotyczących natury ciemnej materii lub ciemnej energii.

Problem polega jednak na tym, że Wszechświat nie jest jedynym miejscem, w którym światło może zostać obrócone. To samo może zrobić... źle ustawiony detektor.

Wyobraźmy sobie, że astronomowie mierzą polaryzację z dokładnością do ułamków stopnia. Otrzymują sygnał wskazujący, że światło mikrofalowego promieniowania tła obróciło się o niewielki kąt. Możliwe są wtedy dwa wyjaśnienia.

Pierwsze jest niezwykle interesujące, światło rzeczywiście zostało obrócone podczas swojej podróży przez Wszechświat. Drugie jest znacznie bardziej przyziemne. Detektory teleskopu zostały skalibrowane pod minimalnie niewłaściwym kątem.

I właśnie tutaj pojawia się jeden z największych problemów współczesnych pomiarów CMB. Błąd orientacji detektora może wyglądać niemal dokładnie tak samo jak prawdziwa kosmiczna rotacja polaryzacji. Z samego sygnału nie da się więc w prosty sposób powiedzieć, czy naukowcy odkryli nową właściwość Wszechświata, czy tylko subtelny błąd aparatury.

Problemem zajęli się badacze z University of California San Diego. Zespół kierowany przez Anto I. Lonappana, Briana Keatinga i Kama Arnolda opracował metodę, która pozwala sprawdzać względną kalibrację kątów polaryzacji różnych zestawów detektorów. Następnie zastosowano ją do istniejących danych zebranych przez należącego do Europejskiej Agencji Kosmicznej satelitę Planck. Wyniki swojej pracy opublikowali w magazynie Astrophysical Journal Letters.

Pomysł jest prosty, choć konsekwencje mogą być bardzo ważne.

Badacze podzielili pomiary na różne grupy detektorów i porównali stworzone przez nie mapy. Jeżeli wszystkie obserwacje rzeczywiście zawierają tę samą kosmiczną rotację, taki wspólny efekt powinien pojawić się we wszystkich mapach. Podczas wzajemnego porównania można go więc niejako wyeliminować.

Pozostają natomiast różnice pomiędzy poszczególnymi zestawami detektorów. A właśnie one mogą zdradzić, czy któryś z nich jest minimalnie źle skalibrowany. To pozwala oddzielić dwie rzeczy, które wcześniej bardzo łatwo było ze sobą pomylić - właściwość Wszechświata i właściwość instrumentu.

Naukowcy przetestowali swoją metodę na ośmiu mapach polaryzacji przygotowanych na podstawie obserwacji satelity Planck. Następnie porównali wynik z wykorzystywaną wcześniej metodą Minamiego i Komatsu, służącą do rozdzielania efektów instrumentalnych od potencjalnej kosmicznej dwójłomności. Oba podejścia dały zgodne rezultaty, mimo że opierają się na innych założeniach.

W przypadku wcześniejszych analiz pojawiał się bardzo interesujący wynik. Po zastosowaniu odpowiedniej kalibracji otrzymywano wartość około 0,37 ± 0,12 stopnia dla potencjalnego kąta kosmicznej dwójłomności. Innymi słowy, mowa o obrocie mniejszym niż pół stopnia.

To niewiarygodnie mały efekt. A jednocześnie właśnie takie drobne odchylenie, jeżeli okazałoby się prawdziwe i zostało niezależnie potwierdzone, mogłoby mieć ogromne znaczenie dla fizyki.

Trzeba jednak bardzo wyraźnie podkreślić, że nowa metoda nie jest samodzielnym dowodem na istnienie kosmicznej dwójłomności. Jest przede wszystkim testem kalibracji. Nie potrafi sama wyznaczyć absolutnego kąta polaryzacji ani rozstrzygnąć, czy cała obserwowana rotacja ma kosmiczne pochodzenie. Do tego potrzebny jest niezależny punkt odniesienia dla absolutnej kalibracji.

Dlaczego naukowcy są tak zainteresowani tymi niezwykle subtelnymi pomiarami? Jednym z powodów jest możliwość wykorzystania polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła do poszukiwania pierwotnych fal grawitacyjnych.

Polaryzację mikrofalowego promieniowania tła opisuje się między innymi za pomocą tak zwanych modów E i B. Mody E mają charakterystyczny, bardziej symetryczny układ. Mody B przypominają natomiast wzory z wirowaniem.

Mody B już obserwujemy, ale ich znanym źródłem może być między innymi soczewkowanie grawitacyjne. Materia znajdująca się pomiędzy nami a odległym CMB zakrzywia bowiem drogę światła, zmieniając jego obserwowany obraz. Znacznie bardziej ekscytująca byłaby natomiast detekcja pierwotnych modów B, które mogłyby być śladem fal grawitacyjnych powstałych we wczesnym Wszechświecie.

Taki pomiar byłby szczególnie ważny dla modeli inflacji kosmologicznej, opisujących niezwykle gwałtowną ekspansję młodego Wszechświata.

Problem z kalibracją jest tutaj wyjątkowo istotny. Minimalne przekręcenie kąta detektora może bowiem sprawić, że część silniejszego sygnału E zostanie zinterpretowana jako sygnał B. Aparatura może więc wytworzyć coś, co wygląda jak ślad bardzo ważnego zjawiska z początków kosmosu.

Dlatego zanim fizycy ogłoszą odkrycie nowej fizyki, muszą mieć pewność, że nie odkryli przypadkiem błędu własnego instrumentu.

Nowa metoda opracowana przez zespół z San Diego nie rozwiązuje całej zagadki. Robi jednak coś równie ważnego, daje naukowcom dodatkowe narzędzie do sprawdzania, czy niezwykle małe sygnały w danych mikrofalowego promieniowania tła są rzeczywiście pochodzenia kosmicznego.

Ma to szczególne znaczenie, ponieważ kolejne eksperymenty będą mierzyć polaryzację mikrofalowego promieniowania tła z jeszcze większą dokładnością. Jednym z nich jest Simons Observatory, z którym związany jest Brian Keating. Im czulsze stają się instrumenty, tym bardziej znaczenia nabierają pozornie banalne szczegóły związane z ich kalibracją.

W kosmologii może więc obowiązywać dość przewrotna zasada - im lepiej potrafimy mierzyć Wszechświat, tym bardziej musimy pilnować, żeby nie pomylić jego sygnału z sygnałem własnego teleskopu.

A stawka jest ogromna. Jeśli kiedyś uda się jednoznacznie wykazać, że najstarsze światło we Wszechświecie rzeczywiście zmieniło swoją polaryzację podczas podróży przez kosmos, będzie to nie tylko interesująca ciekawostka. Może to być wskazówka, że za dobrze sprawdzonym obrazem współczesnej fizyki kryje się jeszcze coś, czego dotąd nie potrafiliśmy zobaczyć.

Główna ilustracja: Zdjęcie Mgławicy Jajko, przedplanetarnej mgławicy gazu i pyłu stworzonej przez umierającą gwiazdę podobną do Słońca. Fotografię wykonano przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, Bruce Balick