FAQ: Поляризация реликтового излучения

7 фактов о видах поляризации, эксперименте Planck и доказательствах инфляционной стадии расширения Вселенной

24.09.2014
4 036
Christopher Michel

Поляризация реликтового излучения возникает в ранней Вселенной в эпоху, когда начинает формироваться реликтовое излучение. Это произошло в эпоху образования водорода, когда Вселенная расширялась, а температура падала. На более раннем этапе у нас есть плазма, в которой есть фотоны, протоны и электроны. Они взаимодействуют между собой довольно активно. В какой-то момент плазма охлаждается настолько, что не находится такой энергичный фотон, который может подлететь и разбить атом водорода. Вселенная оказывается прозрачной, фотоны летят к Земле, Вселенная расширяется. И эти реликтовые фотоны мы и можем наблюдать. В этих реликтовых фотонах содержится информация о тех процессах, которые были в первичной плазме.

1. Возникновение фотонов

Поляризация реликтового излученияФизик Дмитрий Горбунов об эксперименте BICEP2, стадии инфляции и развитии теории гравитации

В последний раз фотоны рассеялись на электронах когда-то давно. Теперь фотон летит, а электронов уже нет, поскольку их подобрал протон. Плазма стала нейтральной, в ней нет электрически заряженных частиц. Фотон содержит информацию об этом последнем взаимодействии, последнем рассеянии на электроне. Это рассеяние поляризовано, то есть фотон приходит поляризованным вдоль некоторого направления, которое определяется тем, откуда пришел фотон. И в данном случае эта поляризация линейна.

Но в ранней Вселенной в первичной плазме в каких-то направлениях есть неоднородности в распределении электронов, протонов и фотонов. Собственно, этим и определяется тот факт, что реликтовое излучение у нас анизотропно. В некоторых направлениях фотоны к нам приходят немножко горячее, в некоторых немножко холоднее, потому что электронов там было немножко больше или немножко меньше. Это образование водорода произошло позже или раньше.

В данном случае эффект от гравитационных волн состоит в том, что вокруг электрона «последнего рассеяния» фотоны также распределены неоднородно по квадрополю, когда тензорные гравитационные волны формируют определенную ромбовидную структуру. Из-за существования этой ромбовидной структуры фотон, который приходит к нам от рассеяния на электроне, оказывается поляризованным, поскольку, будучи усредненным по всем направлениям прихода тех самых фотонов, он чувствует эту ромбовидную структуру. И в результате мы получаем поляризацию реликтового излучения В-типа.

2. Поляризация В-типа и эксперимент BICEP2

Именно эту поляризацию реликтового излучения В-типа, возможно, и обнаружил эксперимент BICEP2. Эксперимент BICEP2 — это эксперимент, проходящий на самой южной макушке нашей Земли. На Южном полюсе очень прозрачная атмосфера, поэтому многие наблюдения там можно сделать с довольно понятным фоном. В этом месте проходило много экспериментов, в частности эксперименты по измерению свойств реликтового излучения. Был известный эксперимент под названием «Бумеранг», который один из первых довольно подробно увидел структуру анизотропии реликтового излучения.

Цель эксперимента BICEP2 была в измерении поляризации в размере около 400 квадратных градусов. Это окошко определяет нам размеры пространственных неоднородностей, которые данный эксперимент может увидеть. Если у нас есть маленькая лупа, то разглядеть детали какой-то большой красивой картины мы можем, но увидеть всю картину целиком невозможно, если мы не двигаем эту лупу равномерно, влево-вправо, пытаясь проанализировать ее устройство. В данном случае эксперимент расположен в одной точке Земли. Телескоп крутится лишь вместе с движением Земли, поэтому его обзор ограничен.

3. Электрическая и магнитная мода поляризации

Реликтовое излучениеАстроном Лайман Пейдж о развитии теории горячего Большого взрыва, дипольной компоненте и зондировании Вселенной до самых ранних эпох

Наш свет поляризован. Есть два вида поляризации: электрическая мода поляризации и магнитная мода, или Е-мода и В-мода, если пользоваться теми буквами, которые приняты в науке для обозначения электрического и магнитного полей.

В эксперименте BICEP2 была обнаружена так называемая В-мода поляризации. Она имеет вихревую структуру. Если представить некую точку на небесной сфере, из которой идет интенсивное излучение, то поляриметр, который мы бы прикладывали вокруг направления на точку, показал бы, что плоскости поляризации для Е-моды расположены по радиусу или по окружности вокруг направления на точку, то есть симметрично — образуют зеркальную симметрию.

Если говорить о В-моде, то поляриметр показал бы вихревую картинку, будто винт направлен в одну или в другую сторону. Во время эксперимента BICEP2 был увиден такой винт на больших угловых масштабах. Его давно ждали в связи с предсказаниями так называемой инфляционной теории.

4. Предсказание о существовании реликтовых гравитационных волн

Наша Вселенная горячая. Инфляционная стадия расширения Вселенной — это стадия гипотетическая, была она или нет — неизвестно. Тем не менее она решает очень многие важные проблемы теории горячего Большого взрыва. Одно из предсказаний этой инфляционной идеи, которое позволяет ее проверить, — это предсказание существования реликтовых гравитационных волн.

Амплитуда этих гравитационных волн, величина сигнала, его мощность зависят от той или иной конкретной реализации инфляционной теории. В одних моделях это большой сигнал, и его мы должны были увидеть еще вчера, и такие модели, к сожалению, закрыты. А есть модели, в которых сигнал гравитационных волн должен быть очень небольшим, но сегодня не существует идеи, как можно измерить такой гравитационный сигнал. В данном случае мы измерили гравитационный сигнал в области, где несколько моделей вполне могут быть ответственными за такой сигнал. Эти модели были предложены как реализация идеи инфляционной стадии в ранней Вселенной.

5. Эксперимент Planck

Другой спутниковый эксперимент под названием Planck, который изучал свойства реликтового излучения, смотря на все небо, измерил анизотропию поляризации реликтового излучения. Этот спутниковый эксперимент, по своим данным, опубликованным за год до результатов эксперимента BICEP, амплитуду гравитационных волн такого уровня, как открыл BICEP, закрыл раньше.

Интересна дальнейшая судьба этого открытия. Любая экспериментальная техника в этой области довольно сложная, и, когда эксперимент придумывается, обычно сразу предлагается несколько стадий его улучшения, которые становятся возможными в ходе развития эксперимента. В данном случае эксперимент опубликовал свои данные, когда у него уже работала следующая версия, более точная, более аккуратная. Эти данные частично уже есть и согласуются с полученными результатами.

В ближайшее время должны быть опубликованы данные по измерению аналогичной величины в других экспериментах: South Pole Telescope и, что очень важно, в эксперименте Planck. Кроме того, эксперимент Planck не публиковал прямые данные по измерению поляризации. Интрига здесь состоит в том, что такой сигнал может быть индуцирован не только реликтовыми гравитационными волнами, но и такой банальной вещью, как пыль.

6. Исследование поляризации на разных частотах

Что изменит открытие первичных гравитационных волн?Астрофизик Сергей Попов о теории инфляции, поиске первичных гравитационных волн и заявлении коллаборации BICEP

Обычно эксперименты по изучению реликтового излучения проходят на нескольких частотах, чтобы контролировать, что регистрируемое излучение — это именно сигнал от абсолютно черного тела. Его спектр хорошо известен и определяется лишь температурой. Форма его вполне специфическая, и если мы с вами измерили какие-то особенности этого сигнала и эти особенности проявились правильным образом на разных частотах, то мы уверены, что зарегистрированный сигнал обусловлен реликтовым излучением, а не чем-то еще. В данном случае, к сожалению, эксперимент устроен так, что поляризация измерена пока только на одной частоте, а когда есть измерения только на одной частоте, то нет уверенности, что именно это явление является поляризацией реликтового излучения. Возможно, оно спровоцировано какими-то другими явлениями. Такие примеры в астрофизике бывали, и важность эксперимента Planck будет состоять в том, что он измерит эту поляризацию на разных частотах и убедится, что сигнал, который измерял эксперимент BICEP, действительно «оригинальный». Planck не сможет достигнуть такой чувствительности, которой обладал эксперимент BICEP, но он будет уверен, что тот сигнал, который BICEP увидел, не пришел от пыли. Если результат будет подтвержден, то это будет одним из самых ярких проявлений инфляционной теории.

7. Квантовые флуктуации и квантование гравитации

Источником этих гравитационных волн, по инфляционной теории, являются квантовые возмущения, или квантовые флуктуации. И в данном случае это квантовые флуктуации гравитационного поля пространства-времени. Пока не построена теория квантовой гравитации. Пока мы не умеем описывать взаимодействие в рамках квантовой теории. Но тот факт, что обнаружены гравитационные волны с такими свойствами, как предсказывает инфляционная теория, говорит о том, что гравитацию квантовать-таки можно, используя такой же аппарат квантования, который мы используем для всех остальных частиц, полей, процессов, которые мы знаем. Гравитация тоже квантовая наука. Но описывать взаимодействие в рамках этого квантового подхода нужно как-то по-другому, не так, как мы это делаем для всех остальных полей. Это важное утверждение как для физики в целом, так и в частности для построения квантовой теории гравитации в дальнейшем.

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, лауреат Премии президента Российской Федерации в области науки и инновации для молодых ученых
Узнал сам? Поделись с друзьями!
  • Ярослав Пушкин

    Удивительно, что из всех наблюдаемых Галактик подавляющее большинство обладает красным смещением, то есть отдаляются от наблюдателя на Земле. Синих смещений — единицы. Вращением Вселенной данный феномен объясняется слишком коряво, если есть вращение, влияющее на направление разбегания, то и самого разбегания не существует.
    Как объяснить, что Земля по современным представлениям оказывается в центре точки гипотетического Большого Взрыва и все от нее убегают?

  • Это объяснить очень просто — Земля не находится ни в каком «центре», по крайней мере исходя их анализа красных смещений такого вывода сделать нельзя. Это задача, которую обычно решают на 1ом семинаре по механике 1ого курса физических факультетов. Формулируется она так: множество точек разлетаются друг от друга со скоростью пропорциональной расстоянию между ними, доказать, что в системе отсчета любой(!) из этих точек будет наблюдаться такая же картина. Если бы мы находились в любой другой галактике, то мы бы наблюдали то же самое.

  • Ярослав Пушкин

    При этом подобная система в определенном приближении будет иметь структуру геометрического шара и никакую иную, это не кубическая структура, так как пространство исключительно трехмерно и объекты являющиеся результатом какого то теоретического взрыва, как «Большой Взрыв» в определенном пространстве имеют траекторию движения от этого взрыва и друг от друга, так устроены все физические процессы, даже ядерные реакции.

    В определенном месте пространства всегда будет наблюдаться однонаправленное движение соседних объектов и обмен сигналами между ними будет давать гораздо меньшую скорость отдаления. Чего в реальности не наблюдается.

    Или галактики отдаляются в ином пространстве, не эвклидовом?

    Приведу пример из википедии о законе Хаббла:
    «Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца.»

    В каком же измерении они отдаляются еще и друг от друга чтобы это было разбегание не относительно наблюдателя на Земле?

  • У галактик не траектории, а мировые линии, разбегание от Земли — кажущееся, Большой взрыв — не взрыв, а фазовый переход второго рода, Вселенная может обладать весьма нетривиальной топологией, хоть в виде пространства Пуанкаре и так далее. Это только некоторые ошибки в вашем тексте. У вас, к сожалению, представления о космологии на школьном уровне. Советую начать, например, с Засов, Постов — Общая астрофизика, там последняя глава как раз посвящена таким вопросам.

  • Ярослав Пушкин

    Дело в том, что наблюдения красного смещения проходят не в пространстве Пуанкаре, которое является математической моделью пространства, не наблюдаемого в природе. А в реальном мире, реальными приборами, и с помощью этого смещения измеряют расстояния и скорости без учета виртуального искривления пространства, а по прямым линиям. Возможно мои познания в Космологии и минимальны, но попытки исказить пространство математическими моделями, подгоняя реальность под теории выглядят странно.

  • Ярослав Пушкин

    Иногда стоит отвлекаться от математики и навязанных общепризнанностью представлений, чтобы понять что либо.

    http://lenta.ru/news/2014/09/25/blackhole/

    Опубликовано материалов
    03585
    Готовятся к публикации
    +28
    Самое читаемое за неделю
  • 1
    ПостНаука
    11 197
  • 2
    Гасан Гусейнов
    5 688
  • 3
    Марк Юсим
    2 880
  • 4
    Алексей Лебедев
    2 324
  • 5
    Алексей Муравьёв
    2 231
  • 6
    Михаил Соколов
    2 196
  • 7
    Андрей Цатурян
    2 019
  • Новое

  • 1 828
  • 1 179
  • 1 276
  • 2 196
  • 11 197
  • 2 019
  • 1 996
  • 5 688
  • 1 751