Наше понимание о масштабах Вселенной продолжает развиваться. Вопросы о её размерах и происхождении касаются основных принципов космологии, которая основывается на фундаментальных законах физики. Сегодня стандартная модель космологии широко принята научным сообществом. Однако она до сих пор не способна объяснить фундаментальные вопросы о природе тёмной материи и тёмной энергии.

В 2020 году было объявлено о новом явлении, которое получило название космическое двойное лучепреломление (cosmic birefringence). Оно основывается на данных поляризации космического микроволнового фона (CMB). Поляризация — это свойство световых волн колебаться в перпендикулярной плоскости к их направлению. Обычно плоскость поляризации остаётся неизменной, но она может поворачиваться при определённых условиях. Анализ данных CMB показал, что плоскость поляризации света CMB могла изменяться между его излучением в ранний период Вселенной и настоящим временем.

Поляризованный свет космического микроволнового фона (CMB), подвергнутый эффектам гравитационного линзирования и космическому двойному лучепреломлению. В левом углу белые линии показывают структуру поляризации реликтового света в ранней Вселенной. Они вращаются из-за космического двойного лучепреломления. Однако путь света искривляется гравитационным искажением пространства-времени, создаваемым крупномасштабной структурой посередине. Источник: Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.063525

Поскольку объяснить космическое двойное лучепреломление через существующие физические законы сложно, существует вероятность, что её основой могут быть аксионоподобные частицы (ALP). Открытие космического двойного лучепреломления может способствовать раскрытию природы тёмной материи и тёмной энергии, поэтому будущие миссии направлены на более точные наблюдения CMB.

Для этого требуется улучшить точность существующих теоретических расчётов, которые до сих пор не учитывали эффект гравитационного линзирования.

Новое исследование, проведённое парой учёных, возглавляемых аспирантом Фумихиро Наокава с кафедры физики Токийского университета и научным сотрудником центра по обработке физических и математических данных Вселенной, доцентом Тошией Намикавой, включило теоретические расчёты космической отрицательности с учётом гравитационного линзирования. Они также разработали численный код для анализа космического двойного лучепреломления, который учтёт эффекты гравитационного линзирования и будет неотъемлемым компонентом будущих исследований.

Вначале исследователи получили аналитическое уравнение, описывающее, как гравитационное линзирование влияет на сигнал космической отрицательности. На основе этого уравнения они внесли соответствующие поправки в существующий код для расчёта поправки гравитационного линзирования. Затем они сравнили сигналы с поправкой и без неё.

В результате исследования учёные обнаружили, что если не учитывать гравитационное линзирование, то наблюдаемый сигнал не может быть хорошо согласован с теоретическим предсказанием.

Кроме того, исследователи сгенерировали симулированные наблюдательные данные, которые могут быть получены при будущих наблюдениях для изучения эффекта гравитационного линзирования при поиске ALP. Они обнаружили, что если не учитывать эффект гравитационного линзирования, то параметры ALP, полученные из наблюдательных данных, значительно смещаются и не согласуются с моделью ALP.

Разработанный в рамках этого исследования инструмент для поправки гравитационного линзирования поправки уже применяется в текущих наблюдательных исследованиях, Наокава и Намикава продолжат использовать его для анализа данных будущих миссий.