В первой части мы беседовали о небольших флюктуациях температуры в космическом микроволновом фоновом излучении (КМФИ). Сейчас мы переключимся на другой компонент КМФИ, примерно в 100 раз меньший, чем температурный сигнал: поляризацию. И хотя мы с вами обсуждаем концепции, слабо связанные с нашим ежедневным опытом, необходимо помнить, что остаточное излучение Большого взрыва, по сути, всего лишь свет. А свет – это электромагнитная волна, колеблющийся набор электрических полей (Е) и магнитных полей (В), распространяющихся со скоростью света.

Сразу скажем, что раз у фотонов есть электрические и магнитные поля – отличающиеся друг от друга, но при этом связанные – присутствие поляризации может проявляться в виде Е-моды (безвихревой составляющей) и В-моды (вихревой). Недавнее радостное возбуждение, связанное с доисторическими В-модами в поляризации КМФИ, и возможность их прямого обнаружения заслуживает того, чтобы о нём узнали. Они дадут нам самый простой доступ к информации об энергии, задействованной во время инфляции, одного из самых ранних этапов развития Вселенной, чьи следы можно обнаружить в некоторых других измеряемых параметрах. В-моды – это лишь часть всей истории поляризации.

Свет КМФИ – не просто свечение

В двух словах вспомним первую часть: самый крупный сигнал КМФИ присутствует в виде температурных флюктуаций света (или фотонов). Море свободных электронов и фотонов взаимодействуют друг с другом очень часто (через Томсоновское рассеяние), и электроны остаются свободными, поскольку у фотонов есть достаточно энергии, чтобы удержать электроны от комбинации с ядрами атомов. Электроны связаны с фотонами, и при этом они постоянно перемещаются между регионами повышенной плотности, образованными комкующейся тёмной материей.

Параллельно с этим пространство расширяется, что увеличивает длину волны фотонов, из-за чего они теряют энергию. В итоге фотоны теряют достаточно энергии, чтобы электроны могли комбинироваться с ядрами, рассеяние Томсона прекращается, и свет может распространяться беспрепятственно. Этот момент называется рекомбинацией, и место, откуда идут фотоны, называется поверхностью последнего рассеяния. Яйцеобразные графики наблюдения КМФИ показывают горячие и холодные точки фотонов на поверхности последнего рассеяния по всему небу, распределившиеся согласно условиям, предшествовавшим рекомбинации Вселенной.

Но распределение температуры – это всего лишь часть информации, зашифрованной в физике Вселенной того времени. Кроме того световые волны содержат предпочтительную ориентацию в разных частях неба, то есть, в зависимости от направления на источник световая волна колеблется в одном направлении больше, чем в другом. Эта ориентация – предпочтительное направление осцилляции волны – и есть поляризация.

Поляризация

Поляризацию представить себе легче, чем температуру. Поляризация фотонов КМФИ и поверхность последнего рассеяния являются плодами Томсоновского рассеяния, а не сложной смеси из рассеивания и осцилляции, происходящих из-за попадания в регионы с повышенной плотностью тёмной материи и давления фотонов вовне, как это происходит в случае с температурой. Иначе говоря, несмотря на распространённость во Вселенной, тёмная материя не влияет на поляризацию КМФИ-фотонов. Поляризация может происходить и из-за гравитационного линзирования, и в этом процессе участвует физика тёмной материи и галактических скоплений. Но в статье я рассматриваю только поляризацию на поверхности последнего рассеяния.

Чтобы понять, как Томсоновское рассеяние приводит к поляризации, нужно понять, как происходит этот процесс. Простое его объяснение – это столкновение двух объектов, и, как почти для любой физической концепции, простое объяснение будет неполным. Для уточнения нам нужно уяснить три вещи:
1. фотоны состоят из электрического и магнитного поля,
2. электроны начинают двигаться, попав под действия электрического поля,
3. при ускорении электрон испускает фотон, и чаще всего – под углом в 90 градусов к направлению движения.

В контексте нашей темы фотон из КМФИ поглощается электроном, и электрон ускоряется в направлении электрического поля фотона. В результате электрон испускает новый фотон так, что его электрическое поле направлено в определённом направлении, и имеет ту же частоту, что у первоначального фотона. Именно это и даёт поляризованный свет: фотон из региона, где в среднем электрическое поле фотонов ориентировано в определённом направлении.

Но этого недостаточно для того, чтобы поляризовать КМФИ. Ещё нам нужна особая конфигурация электронов и фотонов, когда электрон «видит» горячие фотоны сверху и снизу, а более холодные – слева и справа. Такое расположение, горячие участки напротив друг друга, и холодные напротив друг друга, известно, как квадруполь.

При существовании квадрупольного расположения вокруг электрона, входящие фотоны из горячих участков ускоряют электроны сильнее, чем более холодные фотоны. Переиспущенный электроном свет становится поляризованным, так как большая часть силы электрического поля будет выровнена по расположению горячих участков. Также оказывается, что только квадруполь приводит к поляризации – более сложные конфигурации горячих и холодных участков не приводят к наблюдаемой поляризации в КМФИ.

Итак, повторим.

• Фотоны состоят из электрических и магнитных полей, и ускоряют электрон при взаимодействии.
• Из-за ускорения электрон испускает новый фотон.
• Квадруполи, видимые электронами, ускоряют электрон таким образом, что переиспускаемые им фотоны получаются поляризованными.
• Наконец, только квадруполи приводят к наблюдаемой поляризации в КМФИ.

Настраиваем квадруполи

Получается, для появления поляризации нам нужны квадруполи. Как их получить? Существует два основных механизма их получения: флюктуации плотности и гравитационные волны.

Флюктуации плотности приводят к появлению наблюдаемого нами распределения температуры. Существуют плотные регионы скомковавшейся тёмной материи (и, в чуть меньшей степени, обычной материи), притягивающие фотоны и электроны. В первой части мы уже описывали, как это работает и приводит к созданию горячих и холодных участков. Так что, где температурные флюктуации, там же должны быть и флюктуации поляризации.

Изображение деформации кольца частиц при прохождении гравитационной волны. В КМФИ растяжение делает фотоны холоднее, а сжатие – горячее, что и создаёт квадруполи, ведущие к поляризации

Гравитационные волны создают квадруполи по-другому, растягивая и сжимая пространство. На картинках выше показано, как кольцо частиц будет меняться проходящей гравитационной волной. Эти деформации влияют и на длину волны, заставляя фотон выглядеть горячее, если он оказывается в сжимающейся области, и холоднее в растягивающейся. По картинкам легко понять, как появляются горячие участки над и под электроном, и холодные – слева и справа.

Что насчёт В-мод?

Особый вид поляризации, В-моды, недавно широко освещался в прессе. Как они связаны с описанной поляризацией?

Каждое поле поляризации можно разделить на две части: часть, в которой частицы исходят из определённой точки в центре (Е-моды), и часть, где частицы закручиваются вправо или влево вокруг определённой точки (В-моды). Если вспомнить институтский курс физики, то первый случай соответствует излучению без завихрений, а второй – излучению без дивергенции. Названия Е- и В- идут от аналогов полей, появляющихся в уравнениях Максвелла в вакууме, где у поля Е нет завихрения, и у поля В нет дивергенции.

Флюктуации плотности – когда у нас получается квадрупольное распределение горячих и холодных участков вокруг электрона – работает на излучение Е-мод, а гравитационные волны – растягивающие кольца – приводят к появлению как Е-мод так и В-мод. В результате, В-моды в поляризации КМФИ производятся только гравитационными волнами (если мы говорим исключительно про поверхность последнего рассеяния), а Е-моды появляются как в результате гравитационных волн, так и флюктуаций плотности. Поскольку флюктуации плотности влияют гораздо сильнее, чем гравиволны, сигнал Е-моды должен преобладать у плотностных эффектов, что совпадает с наблюдениями. Поэтому измерение В-мод – главная цель экспериментаторов, стремящихся углядеть доисторические гравитационные волны в КМФИ.

Поэтому, поиск В-мод находится в приоритете у космологической общественности. Чуть ранее команда BICEP2 объявляла об обнаружении доисторических В-мод, но этот анализ был подвергнут сомнению, и ему требуются дополнительные наблюдения. Готовятся несколько экспериментов, от Планка до EBEX, SPTPol, Spider и других.

Конечно же, мы будем ждать большого количества новостей, рассказывающих об этих экспериментах. И проливая свет на природу ранней Вселенной, мы, возможно, даже сумеем обнаружить самый неуловимый след в остаточном свечении Большого взрыва: рябь на самой ткани пространства!