Поляризация реликтового излучения

Космическое микроволновое фоновое излучение слабо поляризовано, и характер этой поляризации позволяет исследовать раннюю Вселенную, эпоху реионизации и, возможно, первичные гравитационные волны.

Definition

Поляризация реликтового излучения — это небольшая линейная поляризация, отпечатанная на космическом микроволновом фоновом излучении, когда его фотоны в последний раз рассеивались на электронах в присутствии локальных температурных квадруполей, условно разделяемая на E-моды и B-моды с различными физическими причинами.

Scope

Эта тема охватывает происхождение поляризации космического микроволнового фонового излучения при томсоновском рассеянии анизотропного поля излучения, разложение картины поляризации на безвихревые E-моды и вихреподобные B-моды, космологическую информацию, которую несет каждая из них, и поиск первичных B-мод как признака инфляционных гравитационных волн.

Core questions

• Как космическое микроволновое фоновое излучение становится поляризованным?
• В чем разница между поляризацией E-моды и B-моды?
• Почему первичные B-моды считаются признаком инфляции?

Key concepts

• Линейная поляризация
• E-моды
• B-моды
• Томсоновское рассеяние
• Первичные гравитационные волны
• Горб реионизации
• B-моды линзирования

Key theories

Поляризация при томсоновском рассеянии

Поляризация возникает потому, что томсоновское рассеяние излучения с локальной квадрупольной анизотропией создает чистую линейную поляризацию, поэтому космическое микроволновое фоновое излучение несет поляризованную компоненту, коррелирующую с его температурной картиной.

Разложение на E и B моды

Поле поляризации распадается на безвихревую картину E-мод, создаваемую возмущениями плотности, и вихреподобную картину B-мод, которая на больших масштабах может происходить только от первичных гравитационных волн или гравитационного линзирования, что обеспечивает чистую проверку инфляции.

Mechanisms

Когда фотоны космического микроволнового фонового излучения в последний раз рассеивались, квадрупольная анизотропия в излучении, воспринимаемом каждым электроном, создавала небольшую линейную поляризацию; возмущения плотности генерируют только E-моды, тогда как тензорные возмущения от инфляции могут генерировать B-моды, а гравитационное линзирование преобразует некоторые E-моды в B-моды на малых масштабах.

Clinical relevance

Поляризация уточняет и расширяет космологическую информацию, содержащуюся в космическом микроволновом фоновом излучении: E-моды подтверждают акустическую физику и ограничивают реионизацию, B-моды линзирования исследуют рост структуры и массы нейтрино, а обнаружение первичных B-мод предоставило бы прямые доказательства инфляции и измерило бы ее энергетический масштаб.

History

Разложение на E/B-моды было введено в 1997 году как способ выделить признак первичных гравитационных волн; поляризация E-мод была впервые обнаружена экспериментом DASI в 2002 году, Planck точно измерил ее, а такие эксперименты, как BICEP и Simons Observatory, продолжают поиск первичных B-мод.

Debates

Обнаружение первичных B-мод

Надежное обнаружение первичных B-мод подтвердило бы инфляцию, но загрязнение переднего плана галактической пылью приводило к ложным тревогам, поэтому отделение подлинного космологического сигнала от переднего плана остается центральной задачей.

Key figures

• Marc Kamionkowski
• Arthur Kosowsky
• Albert Stebbins
• Uros Seljak
• Matias Zaldarriaga

Seminal works

• kamionkowski1997

Frequently asked questions

Почему космическое микроволновое фоновое излучение вообще поляризовано?

Поляризация генерируется, когда фотоны рассеиваются на электронах, которые видят направленное, квадрупольное изменение излучения вокруг них; это произошло при последнем рассеянии, оставив слабый поляризованный сигнал, коррелирующий с температурными анизотропиями.

Доказало бы обнаружение B-мод, что инфляция произошла?

Подтвержденный сигнал первичных B-мод был бы очень сильным доказательством инфляции, потому что инфляционные гравитационные волны являются наиболее естественным источником на больших масштабах; однако галактическая пыль может имитировать сигнал, поэтому любое утверждение требует тщательного отделения переднего плана.