Космическое двулучепреломление: три возможных объяснения и одно может переписать учебники

Реликтовое излучение — древнейший свет во Вселенной, оставшийся от Большого взрыва. Он прошёл 13,8 миллиарда лет, чтобы достичь Земли. И если этот свет оказался немного повёрнут, физика может измениться навсегда.

Речь идёт о космическом двулучепреломлении — эффекте, при котором поляризация света вращается, проходя через пространство. Если это явление реально, оно может означать, что Вселенная нарушает фундаментальную симметрию, или что существует новая частица, или что нам нужно пересмотреть стандартную модель космологии.

Что такое двулучепреломление

В обычных условиях свет — это электромагнитная волна. В вакууме он распространяется одинаково во всех направлениях. Но некоторые материалы могут вести себя иначе: они обладают анизотропией, то есть их свойства зависят от направления, и свет с разной поляризацией проходит через них по-разному. Это явление известно как двулучепреломление. Впервые его наблюдали в кристаллах кальцита ещё в XVII веке.

В космосе такого эффекта быть не должно. Вакуум изотропен — он одинаков во всех направлениях. Если реликтовое излучение демонстрирует вращение поляризации, значит, либо вакуум не так пуст, как мы думаем, либо законы физики нарушаются на самых больших масштабах.

Что показывают данные

За последние два десятилетия три крупных эксперимента измерили поляризацию реликтового излучения: WMAP, Planck и ACT. Все они показывают небольшое, но устойчивое вращение угла поляризации. По последним данным, угол поворота составляет около 0,28 градуса. Статистическая значимость этого сигнала — почти пять сигма, что близко к порогу, за которым в физике принято заявлять об открытии.

Важно, что сигнал подтверждается при перекрёстном анализе данных разных экспериментов. Если это систематическая ошибка, она должна была бы проявиться по-разному в разных инструментах. Но она проявляется одинаково.

Три возможных объяснения

Первое: нарушение фундаментальных симметрий. Возможно, Вселенная не изотропна и не однородна в том смысле, который мы привыкли считать. Второе: существует новая частица — например, аксион или подобное ему поле, которое взаимодействует со светом и поворачивает его поляризацию. Третье: это всё же ошибка — либо в калибровке инструментов, либо в учёте галактической пыли, которая тоже может влиять на поляризацию.

Почему это важно

Если космическое двулучепреломление подтвердится, это станет одним из самых значительных открытий в физике XXI века. Оно может указать на существование тёмной материи нового типа, или на то, что Вселенная нарушает зеркальную симметрию на фундаментальном уровне, или что мы неверно понимаем структуру пространства-времени.

Новые эксперименты — BICEP3 и обсерватория Саймонса — смогут дать окончательный ответ. Если сигнал подтвердится, это станет новой главой в понимании Вселенной. Если нет — мы снова убедимся, что природа любит скрывать свои тайны. Но пока ответа нет. Только вращающийся свет из прошлого, который пока не умещается в наши теории.