Телескоп на Южном Полюсе позволил впервые наблюдать едва различимые неравномерности в излучении, относящемся к самым далеким временам нашей Вселенной. Эти неравномерности могли заложить основу всего, что теперь можно видеть (или не видеть, как черные дыры и темную материю) во Вселенной. Неравномерность была замечена в поляризации реликтового излучения, которое взаимодействовало с материей очень давно, не позднее, чем через 400000 лет после Большого взрыва. Неравномерная поляризация света, известная как мода В, вызывается гравитационным линзированием древнего излучения при его проходе вблизи массивного объекта.

«Обнаружение В-мод Телескопом Южного Полюса представляет собой важное свершение, технический прорыв, который позволяет надеяться на грядущие физические открытия», – говорит ведущий автор исследования, почетный профессор Чикагского университета и заместитель директора Института космологии и физики фонда Кавли Джон Карлстром.

Реликтовое излучение – поток пронизывающих всю Вселенную фотонов, оставшихся после Большого взрыва. Температура этих фотонов всего на три градуса превышает абсолютный минимум, составляя -270 градусов Цельсия. Изучение этого древнего излучения уже принесло богатые знания о свойствах Вселенной. Мельчайшие неравномерности в параметрах этого излучения скрупулезно наносятся на карту всего звездного неба. Использование поляризации света добавляет новые возможности для различения мест, выделяющихся на общем фоне всепроникающего излучения.

Поляризация излучения означает, что электромагнитные волны оказываются ориентированы в определенном направлении в пространстве. Реликтовое излучение в основном поляризуется при рассеянии его фотонов на электронах молодой Вселенной, по аналогии с поляризацией при отражении света от водной поверхности. Это простое и хорошо изученное явление легко распознать даже в реликтовом излучении, и оно наблюдалось уже десятилетия назад. Однако моду В заметить намного труднее из-за ее слабой выраженности в общем потоке излучения. Такая поляризация не может появиться при простом рассеянии фотонов на электронах. Для нее необходим намного более сложных физический процесс, который делает изучение этого вида поляризации одновременно более трудным в наблюдении и более интересным, так как позволяет изучать более сложные физические явления.

В данном случае в дело вступает гравитационное линзирование. Само по себе гравитационное поле массивных объектов не поляризует свет. Оно искажает идущее к нам излучение, в том числе изменяя и его поляризационные свойства. В результате простое рассеяние переходит в едва различимые и непонятные В-моды. Чтобы показать, что это так, использовались ранее созданные карты реликтового излучения, на которых отмечена его поляризация, и карты распределения сгустков материи во Вселенной. За счет этого можно предсказать, в каких направлениях получаемое нами реликтовое излучение окажется поляризованным не по стандартной схеме. Дальнейшая работа связана с наблюдениями самого изучения, чтобы можно было подтвердить результаты, полученные на карте теоретически. Уже полученное подтверждение ответственности гравитационных линз за поляризацию не исчерпывает все накопленные в ходе этой работы наблюдательные данные. Наоборот, предстоит еще проанализировать полученные в течение целого года наблюдения.

Детальное исследование В-мод поляризации реликтового излучения несет в себе большой потенциал для изучения Вселенной и открытий в области физики. Так, сейчас картина распределения массы во Вселенной используется для того, чтобы подтвердить участие гравитационных линз в поляризации. Однако как только это будет окончательно доказано, а техника позволит уверенно наблюдать эту поляризацию, можно будет пойти по обратному пути. Поляризационные данные будут использоваться для получения более точной, нежели сейчас, карты расположения массивных объектов во Вселенной. Поскольку такие сведения уже можно получать для видимой материи, исключение ее вклада позволит выявить, где находятся сгустки темной материи. Также можно будет уточнить массы некоторых элементарных частиц, например, нейтрино, пронизывающих Вселенную и имеющих массу, но очень малую и потому с трудом измеримую для одной такой частицы, но намного легче оцениваемую для их скопления.

Другое приложение В-мод для изучения Вселенной относится к ее молодости. Если на пути излучения, поляризованного обсуждаемым образом, нет массивных объектов, это еще не означает ошибку. Просто источником поляризации может служить другое явление. Инфляция, время быстрого расширения молодой Вселенной, является широко принятой теорией благодаря ее возможностям в описании современной Вселенной. Тем не менее, лишние подтверждения этого процесса придадут дополнительную уверенность, а возможно и помогут подправить некоторые положения теории. Во время инфляции Вселенная расширялась очень быстро, и малейшие неравномерности в распределении материи могли породить мощные гравитационные волны, которые способны поляризовать реликтовое излучение не хуже, чем огромное скопление галактик.