Физики из США и России численно смоделировали эволюцию межзвездной пыли под действием магнитных полей и рассчитали поляризацию излучаемых ей электромагнитных волн. Как и ожидалось, найденный спектр и отношение амплитуд E-мод и B-мод совпадают с наблюдениями обсерватории «Планк», измерявшей в 2009–2013 годах спектр реликтового излучения. Тем не менее, благодаря проработанности модели ученым удалось заметить новые эффекты — например, увидеть, что отношение амплитуд мод зависит от угла между средним магнитным полем пыли и направлением наблюдений. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Реликтовое микроволновое излучение — это самая далекая наблюдаемая с Земли структура, а потому оно является хорошим источником информации о ранних этапах жизни Вселенной. Это излучение возникло примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда заполнявшие объем Вселенной электроны, протоны и альфа-частицы стали соединяться в атомы водорода и гелия (этот процесс называется рекомбинацией), а фотоны практически перестали поглощаться средой и смогли свободно «путешествовать» по пространству. Из-за неоднородности Вселенной реликтовое излучение получилось неравномерным — фотоны, приходящие из более горячих областей, в среднем имеют чуть большую энергию, чем фотоны из холодных областей. Правда, разница эта сравнительно невелика — порядка 0,02 кельвина при средней температуре излучения около 2,7 кельвинов. В рамках теории инфляции, которая в настоящее время принята большинством космологов, неоднородность Вселенной объясняется «раздутием» квантовых флуктуаций во время ее расширения. Подробнее про этот процесс можно прочитать в нашем материале «Инфляция космических масштабов».
Кроме того, из-за комптоновского рассеяния фотонов на атомах движущейся среды реликтовое излучение оказалось поляризовано — колебания векторов электрического и магнитного поля приобрели выделенные направления, которые меняются от точки к точке. Получившееся в итоге векторное поле можно схематически представить, отмечая стрелкой направление и величину вектора поляризации в каждой точке неба или рисуя силовые линии — кривые, которые касаются направлений в каждой своей точке.
Наряду с неоднородностями вещества, теория инфляции предсказывает, что в молодой Вселенной должны возникать реликтовые гравитационные волны. Когда эти волны распространяются в среде, они ускоряют и замедляют ее атомы — а в результате комптоновского рассеяния фотоны реликтового излучения «чувствуют» это движение, и поляризационная картина изменяется. Когда гравитационных волн нет, поле поляризации напоминает электрическое — другими словами, его можно представить как результат статического распределения зарядов. Такой тип поля называют E-модой. В противном случае на картину накладываются B-моды — векторные поля, совпадающие с магнитным полем некоторой системы постоянных токов. Сравнивая величину B-мод и E-мод, наблюдаемых в реликтовом излучении, можно проверить этот эффект и подтвердить теорию инфляции. Подробнее про измерение амплитуды B-мод можно прочитать в статье «Реликтовые гравитационные волны: последний штрих в картине происхождения Вселенной?».
Тем не менее, такие измерения надо проводить очень осторожно, поскольку на реликтовое излучение может накладываться излучение, которое рождается в совершенно других процессах и напоминает искомые B-моды. Дополнительно осложняет ситуацию тот факт, что амплитуда B-мод очень мала, и зарегистрировать их сложно. Впервые о регистрации B-мод заявила в 2014 году группа BICEP2 — однако последовавшие наблюдения спутника «Планк», имеющие более высокую точность и выполненные в другом диапазоне частот, показали, что сигнал можно практически полностью списать на излучение межзвездной пыли, которое имеет такую же поляризацию. Несмотря на то, что астрономы выбрали сравнительно «чистый» участок неба, даже небольшого количества хватило для «засветки» данных. Чтобы убрать эту «засветку», надо, во-первых, более точно измерить спектр микроволнового излучения, а во-вторых, разработать теоретическую модель, которая будет давать правильные предсказания для сигнала пыли. И хотя в ближайшее десятилетие чувствительность экспериментов должна вырасти примерно в сто раз, существующие модели не позволяют точно оценить вклад пыли в B-моды.
В новой статье физики Алексей Крицук (Alexei Kritsuk), Рафаэль Флогер (Raphael Flauger), и Сергей Устюгов (Sergey Ustyugov) представили результаты численного моделирования, которые согласуются с результатами наблюдений BICEP2 и «Планк» и позволяют подробно проследить, как спектр излучения пыли меняется со временем. В отличие от предыдущих работ, ученые не использовали феноменологические модели и не делали приближений, касающихся состояния пыли, но работали напрямую с уравнениями магнитной гидродинамики (magnetohydrodynamics, MHD), допускающими существование горячей нестабильной плазмы (на которую приходится более 90 процентов объема) наряду с холодным и молекулярным газом (составляющими около половины массы пыли).
Разработанная физиками программа имитировала состояние межзвездной среды в окрестностях солнечной системы и уже использовалась авторами ранее для исследования межзвездных турбулентностей. На этот раз исследователи смоделировали эволюцию пыли, помещенной в куб со стороной 200 парсек, в течение 30 миллиардов лет, и рассчитали зависимости для плотности, скорости, давления и вектора магнитной индукции. Затем ученые связали найденные параметры с интенсивностью электромагнитных волн, излучаемых пылью, а также рассчитали для них параметры Стокса. Наконец, зная эти параметры, исследователи нашли направление и величину вектора поляризации в каждой точке рассматриваемого объема, построили карту поляризации и вычислили спектр возникающих E-мод и B-мод.
В результате ученые обнаружили, что рассчитанный и измеренный обсерваторией «Планк» спектр, а также отношение амплитуд мод совпадают в широком диапазоне частот. В то же время, моделирование выявило некоторые тонкие детали, которые нельзя было заметить напрямую. Например, оказалось, что видимое отношение амплитуд E/B зависит от того, с какой стороны наблюдатель смотрит на газ: в плоскости, перпендикулярной оси среднего магнитного поля E/B ≈ 1,7, а в параллельной плоскости E/B ≈ 1,9. При уменьшении напряженности поля эта разница сглаживается. Измерения спутника «Планк» дают значение E/B ≈ 1,92. Правда, пока еще нельзя с уверенностью сказать, как направлено поле в исследованной области — для надежности нужно собрать данные в более широком диапазоне частот, чтобы заметить, как отношение уменьшается на более широких частотах, и подтвердить, что статистически значимое отклонение действительно есть.
Авторы статьи надеются, что результаты их трехмерного моделирования помогут в будущем построить более точную теоретическую модель, выделяя наиболее важные вклады в поляризацию излучения межзвездной пыли. Кроме того, эта работа показывает, как информацию о состоянии межзвездной пыли, которая практически невидима для телескопов, можно получить с помощью измерений микроволнового фона.
Как и все взаимодействия, теоретически гравитацию можно проквантовать, и тогда распространение гравитационных волн и притяжение тел будет описываться с помощью гравитонов — гипотетических частиц со спином, равном двойке (то есть это тензорные частицы). Число этих частиц, родившихся во время Большого взрыва и заполняющих наблюдаемую Вселенную, можно оценить по величине тензорных возмущений (B-мод) в реликтовом излучении — например, по расчетам физика-теоретика Дона Пейджа в видимой Вселенной может находиться до 10112 гравитонов, что на двадцать порядков больше числа «обычных» частиц. Правда, в своих расчетах физик использовал результаты спутника «Планк», ограничивающие отношение амплитуд тензорных и скалярных возмущений во время инфляции величиной r < 0,1. Эта величина вычисляется по флуктуациям спектра реликтового излучения, а не по его поляризации; тем не менее, результаты новой статьи независимо показывают, что эта оценка, а вместе с ней и число гравитонов, могут быть завышены. Кроме того, нужно помнить, что теорию квантовой гравитации до сих пор так и не построили, а экспериментальное подтверждение существования гравитонов ученые пока не нашли.
По информации https://nplus1.ru/news/2018/07/12/ISM-B-modes
Обозрение "Terra & Comp".
