Поляризація реліктового випромінювання допомогла виміряти масу скупчення галактик
Групи SPTpol і DES вперше виміряли масу скупчень галактик за допомогою слабкого гравітаційного лінзування коливань поляризації реліктового випромінювання. Похибка отриманих результатів у кілька разів більша, ніж у інших методів, проте потенційно новий спосіб вимірювання може виявитися більш ефективним, оскільки він не залежить від забруднення сигналу іншими джерелами. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
В даний час у спостережної космології є три більш-менш надійних методи, за допомогою яких можна виміряти параметри нашого Всесвіту. Перший метод, найточніший, покладається на неоднорідності реліктового випромінювання. Грубо кажучи, спочатку однорідне випромінювання по-різному спотворюється при різних параметрах Всесвіту, тому за величиною і формою спотворень можна відновити основні космологічні параметри. Другий метод вимірює баріонні акустичні осциляції - глобальні коливання щільності видимої матерії, які викликані акустичними хвилями, що бігали по молодому Всесвіту. Нарешті, третій спосіб оцінює, як змінюється кількість скупчень галактик залежно від їх маси і червоного зсуву. Разом ці методи дозволяють отримати найбільш жорсткі обмеження на параметри нашого Всесвіту.
На жаль, на практиці точність третього методу сильно обмежена методами вимірювання маси далеких скупчень. Зазвичай астрономи оцінюють масу скупчення за допомогою слабкого гравітаційного лінзування. Насправді, масивні об'єкти викривляють простір-час і разом з ним спотворюють траєкторію променів світла, що йдуть від більш далеких об'єктів, - отже, за величиною цього спотворення можна розрахувати масу об'єкта. Докладніше про гравітаційне лінзування можна прочитати в матеріалі «Всесвіт не у фокусі». Очевидно, що для лінзування необхідна не тільки лінза, але і джерело, яке розташоване досить близько до лінії спостереження (кутова відстань між лінзою і джерелом повинні бути не більше однієї секунди дуги). Якщо червоне зсув лінзуючого об'єкта невеликий, з високою ймовірністю таке джерело знайдеться, тому для близьких скупчень цей метод працює добре. Однак для далеких скупчень джерела знайти набагато важче (в молодому Всесвіті їх просто немає), і гравітаційне лінзування в загальноприйнятому вигляді стає марним.
Втім, крім галактик в якості джерела світла також можна використовувати реліктове випромінювання - оскільки воно утворилося приблизно через 400 тисяч років після Великого вибуху, воно служить хорошим фоном навіть для самих далеких скупчень. Більш того, для оцінки спотворень сигналу і маси скупчення можна використовувати відразу дві особливості реліктового випромінювання - температурну і поляризаційну анізотропію. З одного боку, амплітуда температурних коливань більше, а тому їх легше виміряти. До теперішнього моменту вчені вже оцінили таким чином масу декількох скупчень, отримавши похибку близько десяти відсотків. З іншого боку, в середньому випромінювання астрофізичних джерел слабо поляризоване, тому сигнал від коливань поляризації забруднюється менше. Ця можливість досі на практиці не перевірялася.
Групи SPTpol (South Pole Telescope) і DES (Dark Energy Survey) вперше виміряли масу скупчення галактик, покладаючись на поляризацію реліктового випромінювання. Для цього група SPTpol надала дані про поляризацію реліктового випромінювання, що охоплюють близько 500 квадратних градусів небесної сфери, а група DES наклала ці дані на карту відомих скупчень галактик. Всього фізики відібрали 17661 скупчень, які містили більше десяти галактик (3868 скупчення містило більше двадцяти галактик) і мали червоне зміщення в інтервалі між = 0,1 і = 0,95. Червоне зміщення скупчень вчені оцінювали фотометрично, похибка оцінки не перевищувала двох відсотків. Автори підкреслюють, що вони враховували дрібні скупчення (від 10 до 20 галактик), щоб спростити первинний аналіз, збільшивши відношення сигнал/шум. Оскільки алгоритм, що шукає скупчення в наборі галактик, на таких дрібних скупченнях працює погано, вчені не радять використовувати отримані дані в космологічному аналізі.
Оскільки на масштабах скупчень первинні флуктуації реліктового випромінювання експоненційно придушені, вчені наближали його полем, яке зводилося до градієнта від деякої скалярної функції. При лінзуванні такого поля спостерігач бачить картину, яка нагадує поле діполя, орієнтоване вздовж градієнта. За допомогою цього ефекту фізики оцінювали інтенсивність лінзування і масу скупчення.
Якщо точніше, дослідники дотримувалися наступного алгоритму. Спочатку вчені вирізали в карті реліктового випромінювання області розміром 10 ст.110 кутових секунд. Поряд з областями, розташованими біля скупчень, вчені також розглядали випадково вирізані області. Для кожної області фізики знаходили медіанне значення градієнта, а потім повертали її вздовж цього напрямку. Потім кожній області вчені привласнювали певні ваги, що залежать від дисперсії шуму та амплітуди градієнта. З урахуванням цих терезів дослідники усереднювали сигнал у випадкових областях і областях, розташованих біля скупчень. Після цього фізики вичитали середнє значення випадкового сигналу із середнього значення сигналу біля скупчень. Нарешті, вчені будували функцію правдоподібності, яка пов'язувала масу скупчення і сигнал в його околицях.
За допомогою побудованої функції правдоподібності фізики оцінили середню масу скупчень, які потрапили в розглянуту область і містили більше десяти або більше двадцяти галактик. У першому випадку дослідники отримали масу порядку (1,43 0,40) 1014 мас Сонця, у другому - порядку (3,23 1,01) 1014 мас Сонця. Загалом ці результати узгоджуються з оцінками щодо слабкого гравітаційного лінзування інших галактик (((0,96 0,07) 1014 і (2,06 0,14) 1014 мас Сонця) і температурних коливань реліктового випромінювання ((0,85 0,16) 1014 і (1,80 0,33) 1014 мас Сонця), хоча похибка нового методу в кілька разів гірша. Таким чином, фізики вперше побачили лінзування коливань поляризації реліктового випромінювання. Можливо, в майбутньому вчені також зможуть знизити похибки запропонованого методу.
Реліктове випромінювання - одне з найнадійніших джерел інформації про ранні роки нашого Всесвіту. Саме з його допомогою астрономи виміряли постійну Хаббла і оцінили щільність темної енергії, темної матерії, барионів, фотонів і нейтрино. Теоретично за флуктуаціями реліктового випромінювання також можна відстежувати ще більш тонкі явища, наприклад, реліктові гравітаційні хвилі. Істотний внесок у дослідження реліктового випромінювання зробив американський астрофізик Джеймс Піблз, який теоретично передбачив велику кількість ефектів, згодом підтверджених супутниками Planck і WMAP. За ці передбачення минулого місяця Джеймсу Піблзу присудили половину Нобелівської премії з фізики. Детальніше про його відкриття можна прочитати в матеріалі «Місце у Всесвіті» і «Нобелівська премія з фізики - 2019».