Излучение ранней Вселенной может быть ключом к важнейшим вопросам физики

Астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего измерили мельчайшие гравитационные искажения в поляризованном излучении ранней Вселенной и обнаружили, что эти древние микроволны могут стать важнейшим космологическим испытанием общей теории относительности Эйнштейна. У этих измерений есть потенциал сузить оценочную массу неуловимых субатомных частиц, известных как нейтрино.

Излучение может даже обеспечить физиков ключами к другим важным загадкам нашей Вселенной: как невидимая «темная материя» и «темная энергия», которые невозможно обнаружить современными телескопами, могут распределяться во всей Вселенной.

Ученые измерили изменения в поляризации микроволн, исходящих из космического микроволнового, или реликтового, фона ранней Вселенной. Как и поляризованный свет (который вибрирует в одном направлении и производится рассеянием видимого света на поверхности океана, например), поляризованные микроволны (B-моды), открытые учеными, родились в реликтовом излучении ранней Вселенной спустя 380 000 лет после Большого Взрыва, когда космос остыл достаточно, чтобы позволить протонам и электронам объединиться в атомы.

Астрономы полагали, что уникальная поляризация B-мод раннего космоса позволит им эффективно «увидеть» части Вселенной, невидимые оптическим телескопам. С помощью процесса под названием «слабое гравитационное линзирование», как полагали ученые, искажения в схеме поляризации B-мод позволили бы составить карту регионов Вселенной, заполненных невидимой темной материей и темной энергией, а также проверить общую теорию относительности в космологических масштабах.

Недавнее открытие подтверждает обе догадки. Измеряя данные поляризации реликтового излучения, полученные POLARBEAR (астрономами, работающими на телескопе в высотной пустыне северной части Чили), разработанном специально для обнаружения поляризации «B-мод», астрофизики Сан-Диего нашли слабое гравитационное линзирование в своих данных. Таким образом, они пришли к выводам, которые позволяют им составить детальную карту структуры Вселенной, ограничить оценочную массу нейтрино и проверить на прочность ОТО.

«Впервые мы сделали подобные измерения, используя данные поляризации реликтового излучения, — рассказал Чанг Фенг, ведущий автор работы и физик-аспирант Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Это было первое прямое измерение линзирования поляризации реликтового излучения. И самое удивительное то, что данные линзирования совпадают с предсказанными в рамках ОТО Эйнштейна результатами. Теперь мы можем подтвердить ОТО в космологических масштабах».
Один из самых важных вопросов в физике, который может быть решен на основе этих данных, это — масса слабовзаимодействующего нейтрино. Ранее считалось, что у нейтрино вовсе нет массы, но современные расчеты показали, что у нейтрино есть масса ниже 1,5 электрон-вольт. Фенг также сообщил, что данные, полученные в ходе его исследования, недостаточно статистически удовлетворетельны, чтобы делать какие-либо выводы по поводу массы нейтрино. Но в будущем он и его коллеги планируют проанализировать достаточное количество данных с POLARBEAR, чтобы точно определить массу неуловимых частиц.

«Это исследование — первый шаг с использованием поляризационного линзирования для измерения массы нейтрино, когда вся Вселенная выступает в роли лаборатории. В конце концов мы сможем положить достаточно нейтрино на «весы», чтобы точно измерить их массу. Используя инструменты Ченга, нам понадобится только время, чтобы узнать массу нейтрино, единственной фундаментальной элементарной частицы с неизвестной массой. Это было бы поразительным достижением для астрономии, космологии и физики, конечно».