Antarktyczni obserwatorzy wykryli polaryzację mikrofalowego promieniowania tła

Grupa badaczy, którzy za pomocą interferometru DASI (z tyłu) wykryli polaryzację promieniowania tła. Fot. DASI Collaboration.

Po przeszło 270 dniach obserwacji interferometrem mikrofalowym DASI (Degree Angular Scale Interferometer) udało się po raz pierwszy zmierzyć polaryzację mikrofalowego promieniowania tła pochodzącego z bardzo wczesnego okresu istnienia naszego Wszechświata. "Gdybyśmy tej polaryzacji nie znaleźli, astronomowie musieliby cofnąć się do początków formułowania teorii kosmologicznych" - mówi John E. Carlstrom z Uniwersytetu w Chicago, który ogłosił to odkrycie 19 września br. na konferencji Cosmo-02.

Kilka lat temu zespół kierowany przez Carlstroma umieścił w stacji polarnej Amundsena-Scotta na biegunie południowym aparaturę (DASI) do pomiarów mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Miejsce takie wybrano ze względu na panujący tam bardzo suchy i stabilny klimat. Odkryte w 1964 roku CMB pochodzi z okresu, kiedy Wszechświat był bardzo młody i liczył ok. 300.000 lat. Do tego czasu Kosmos był aż tak gorący, że elektrony i jądra atomowe były jeszcze rozdzielone. Wysokoenergetyczne fotony wypełniające wczesny Wszechświat ciągle odbijały się (rozpraszały) od swobodnych elektronów i nie mogły swobodnie poruszać się w przestrzeni. Ale sytuacja uległa zmianie, gdy Wszechświat się nieco ochłodził i elektrony wyłapane przez protony utworzyły atomy (epoka rekombinacji). Z mniejszą ilością swobodnych elektronów rozproszenia fotonów stały się rzadsze i promieniowanie uwolnione od materii mogło już bez przeszkód migrować w przestrzeni. Promieniowanie to jest obecnie obserwowane w podczerwieni jako CMB, o temperaturze 2.7 K. Jego badanie jest niezwykle ważne, gdyż niesie informację o epoce, w której ono powstało, a więc o wczesnym Wszechświecie.

Celem prowadzonych na Antarktydzie badań było poszukiwanie niejednorodności tego promieniowania w postaci minimalnych wahań jego temperatury w różnych kierunkach na niebie. Dowodziłyby one istnienia zaburzeń gęstości materii, z których później narodziły się galaktyki. Takie fluktuacje temperatury rzeczywiście wykryto interferometrem DASI, podobnie jak w przypadku kilku innych eksperymentów, przeprowadzonych zresztą wcześniej, w różnych ośrodkach badawczych przy użyciu różnej aparatury, w tym satelitarnego obserwatorium COBE.

Jednak dwa lata temu grupa badaczy na biegunie południowym zmodyfikowała interferometr DASI, przystosowując go do badania polaryzacji promieniowania CMB. Przypuszczenie, że CMB może być spolaryzowane, zostało po raz pierwszy wysunięte przez Martina Reesa w 1968 r. Obecnie efekt ten jest precyzyjnie przewidywany przez teorię inflacji, która zakłada gwałtowne rozszerzenie się Wszechświata w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu.

Obraz przedstawia intensywność (w kolorach) i polaryzację (czarne kreski) mikrofalowego promieniowania tła. Kolor czerwony odpowiada rejonom o niższych temperaturach, a żółty - o wyższych, różnice te są bardzo małe, ok. 0.0003 kelwina. Długość czarnych kresek odpowiada amplitudzie sygnału spolaryzowanego, a ich kierunek - kierunkowi polaryzacji. Mapa obejmuje obszar nieba 5ox5o. Białe koło przedstawia zdolność rozdzielczą interferometru DASI.

Światło słoneczne oraz wielu innych obiektów jest niespolaryzowane - to znaczy płaszczyzna drgań fali świetlnej jest losowo zorientowana. Jednak np. rozpraszanie fotonów na elektronach prowadzi do polaryzacji światła, czyli określenia płaszczyzny drgań fali. Gdy we wczesnym Wszechświecie dochodziło do częstych zderzeń fotonów z elektronami, to po kilku takich rozproszeniach w różnych kierunkach wypadkowa polaryzacja fali była zerowa. W epoce rekombinacji jednak, uwolnione od materii promieniowanie „zapamiętało” stan polaryzacji w momencie ostatniego rozproszenia. Istniejące niejednorodności w rozkładzie materii doprowadziły do powstania fluktuacji polaryzacji, którą obecnie powinniśmy zaobserwować w mikrofalowym promieniowaniu tła.

Fluktuacje polaryzacji CMB okazały się jednak niezwykle trudne do wykrycia, gdyż są 10-krotnie słabsze od zmian temperatury CMB. I właśnie po raz pierwszy udało się je odkryć na Antarktydzie. Wykryto je po przeszło 270 dniach obserwacji interferometrem mikrofalowym DASI. Podczas eksperymentu, prowadzonego przez grupę astronomów z Uniwersytetu w Chicago, obserwowano dwa obszary na niebie, o rozmiarze kilku stopni każdy. Wykryta polaryzacja dobrze odpowiada wartości przewidywanej przez teorię inflacji. Ponieważ polaryzacja zawiera informacje o kierunku, niesie znacznie więcej wiadomości o warunkach panujących we wczesnym Wszechświecie niż rozkład zaburzeń temperatury CMB, badany do tej pory. "Zaletą polaryzacji jest to, że bezpośrednio opisuje dynamikę młodego Wszechświata" - mówi Carlstrom.

Według Michaela Turnera z Uniwersytetu w Chicago "detekcja polaryzacji otwiera nowe okno na badanie najwcześniejszych momentów istnienia Wszechświata i daje możliwości odpowiedzi na trudne pytania, które są jeszcze przed nami".

Odkrycie to (jeśli zostanie potwierdzone w innych eksperymentach) stanowi zatem następny, ważny kamyk do budowli naszej wiedzy o ewolucji Wszechświata, potwierdzając poprawność dotychczasowego szkieletu. Aparatura DASI nie jest jednak w stanie wykryć jeszcze bardziej subtelnej struktury polaryzacji CMB, którą - według teorii inflacji - odcisnęły fale grawitacyjne. Takie odkrycie i definitywną weryfikację teorii młodego Wszechświata umożliwi być może następna generacja czułych instrumentów umieszczonych na pokładach sztucznych satelitów. Najbliższa tego rodzaju misja Planck zaplanowana jest na 2007 rok.

Zobacz również:

Strona domowa DASI
Polaryzacja CMB - trochę teorii

29 września 2002
Źródło | oprac. K. Chyży

Liczba odsłon: 1003