Radiaţia slabă din fundalul Universului care este denumită radiaţia cosmică de fond (CMB-Cosmic Microwave Background) este formată din fotoni care au fost emişi atunci când Universul avea o vârstă de doar 400.000 de ani. Fizicianul Liang Dai de la Johns Hopkins University din Baltimore, Maryland a arătat într-un document recent că planul de polarizare al acestor fotoni se roteşte atunci când aceştia se deplasează prin undele gravitaţionale şi fluxurile de materie cosmică.
Studiind acest efect de rotaţie care apare în cadrul fotonilor din radiaţia cosmică de fond, oamenii de ştiinţă ar putea să cerceteze regiuni din Univers care altfel ar putea rămâne necunoscute.
Clic pe imagine pentru a o mări
Reprezentări ale modului de polarizare al fotonilor care evidenţiază rotaţia planului de polarizare. Credit: Liang Dai. ©2014 American Physical Society.
„Radiaţia cosmică de fond este ca o lumină de fundal", a declarat Dai pentru Phys.org. „Când fotonii din CMB ajung în cele din urmă la noi, ei au străbătut deja un vast spaţiu cosmic, astfel că imaginea lor este distorsionată de obstacolele ce le-au ieşit în cale. Este foarte important să studiem/măsurăm aceste distorsiuni (atât în ceea ce priveşte temperatura, cât şi polarizarea) pentru ca astfel să învăţăm mai multe despre distribuţia şi evoluţia acelor „lucruri" care le-au ieşit în cale şi, prin urmare, să încercăm să înţelegem mai bine Universul timpuriu".
Printre aceste „lucruri" care perturbă deplasarea fotonilor din CMB se numără aglomerările de materie din Univers care formează structuri cosmice de mari dimensiuni, dar şi unele „lucruri" mai puţin vizibile cum ar fi undele gravitaţionale primordiale şi vortexurile de materie cosmică (care includ, de exemplu, mişcarea circulară colectivă a galaxiilor).
„Undele gravitaţionale ne spun multe despre începutul Universului, în timp ce vortexurile de materie ne dezvăluie mai multe despre modul de formare al structurilor cosmice din Univers", a spus Dai.
Rezultatele teoretice obţinute de Dai ne arată că aceste „lucruri", cum ar fi undele gravitaţionale şi vortexurile de materie distorsionează anizotropia modului de polarizare al CMB. Calculul anterior al acestui efect a fost incomplet, dar lucrarea lui Dai ne oferă o procedură de calcul completă şi corectă a efectului de rotaţie a planului polarizării.
„Atunci când un foton se deplasează într-o direcţie anume, el oscilează într-un plan perpendicular pe această direcţie", a explicat Dai. „Cu toate acestea, există două plane independente în care fotonul poate oscila (noi le denumim două direcţii transversale), iar modul de polarizare al fotonului se referă la planul în care se produc aceste oscilaţii.
Să presupunem că există undeva o sursă îndepărtată care emite fotoni polarizaţi într-o direcţie transversală. Într-un spaţiu plat cel ce va recepţiona fotonii va observa cu precizie că direcţia de polarizare a acestora este aceeaşi cu cea de la sursă. Cu toate acestea, într-un univers plin cu tot felul de „lucruri" spaţiu-timpul este uşor curbat, astfel că la recepţie se va observa o direcţie de polarizare a fotonilor uşor diferită faţă de cea de la emisie. În cazul în care se cunoaşte direcţia iniţială de polarizare se poate măsura acest efect studiind cât de mult diferă direcţia de polarizare observată faţă de direcţia iniţială de polarizare. Uneori nu ştim direcţia iniţială de polarizare, dar totuşi putem cunoaşte distribuţia probabilistică a direcţiei iniţiale de polarizare. În acest caz putem determina în continuare, într-un mod statistic, dacă planul de polarizare s-a schimbat pe durata de deplasare a fotonului".
Aceste efecte nu se limitează doar la fotonii din radiaţia cosmică de fond, ele se pot aplica, de asemenea, la fotonii ce provin din alte surse cum ar fi emisiile radio şi quasari.
„La fel ca în cazul radiaţiei cosmice de fond, emisiile radio în gama de 21 cm sunt doar un alt fundal care ne permite să înţelegem ce se află între locul de emisie al acestora şi noi, diferenţa fiind că acestea sunt semnale electromagnetice de frecvenţă diferită şi că ele provin din zone din Univers cărora le corespund deplasări spre roşu mai mici. Dar ele pot fi, de asemenea, polarizate din cauza împrăştierii lor. În acest sens, aceleaşi rezultate pot fi aplicate şi în acest caz.
„Spre deosebire de radiaţia cosmică de fond şi emisiile în gama de 21 cm, quasarii sunt ca nişte puncte luminoase aflate în spatele altor obiecte cosmice", a continuat el. „Uneori un singur quasar apare în mai multe imagini pe cer tocmai pentru că se întâmplă ca el să se afle în spatele, de exemplu, unui grup de galaxii. În acest caz noi spunem ca avem de-a face cu o lentilă puternică. Rezultatele din lucrarea mea indică faptul că lumina provenită de la două imagini distincte ale aceluiaşi quasar va avea polarizări uşor diferite deoarece razele de lumină din ambele imagini au parcurs căi diferite prin spaţiu-timp. Deşi acesta este un efect de ordinul al doilea, este posibil să măsurăm aceste diferenţe prin studiul interferenţelor. Desigur, în această situaţie lumina din fundal ne va dezvălui structurile din prim plan şi nu undele gravitaţionale".
În viitor Dai intenţionează să cerceteze în ce mod undele gravitaţionale perturbă şi deviază deplasarea fotonilor din Universul îndepărtat.
„S-au realizat multe studii cu privire la efectul geometric al undelor gravitaţionale, adică asupra modului cum ele deviază traseul razelor de lumină ce provin din surse îndepărtate", a spus el. „Deşi acest efect în cele din urmă ar putea ajuta la identificarea undelor gravitaţionale din Univers, observarea sa este foarte dificilă. Efectul este greu de observat deoarece amplitudinea undelor gravitaţionale se micşorează pe măsură ce Universul se extinde ca un întreg.
Efectul dinamic al undelor gravitaţionale, pe de altă parte, nu a fost destul de bine studiat şi înţeles. Efectul dinamic se referă la modul în care undele gravitaţionale perturbă mişcarea particulelor de materie (nu lumina), şi, prin urmare, afectează distribuţia fizică a materiei în spaţiu şi nu doar distribuţia sa aparentă. Comparativ cu efectul geometric, efectul dinamic se poate produce chiar mai devreme şi el poate fi chiar mai important.
Sunt foarte interesat să studiez această proprietate a undelor gravitaţionale, continuând astfel să caut undele gravitaţionale din Univers".
Traducere de Cristian-George Podariu după photons-journeys-universe-unravel-cosmological, cu acordul Phys.org.
