Rayonnement relique, partie 2: preuves du Big Bang
Dans la première partie, nous avons parlé de petites fluctuations de température dans le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques (KMPI). Nous allons maintenant passer à un autre composant du KMFI, environ 100 fois plus petit que le signal de température: la polarisation. Bien que nous discutions de concepts qui sont vaguement liés à notre expérience quotidienne, il faut se rappeler que le rayonnement résiduel du Big Bang est en fait juste de la lumière. Et la lumière est une onde électromagnétique, un ensemble oscillant de champs électriques (E) et de champs magnétiques (B) se propageant à la vitesse de la lumière.
Il faut dire tout de suite que puisque les photons ont des champs électriques et magnétiques - qui sont différents les uns des autres, mais sont couplés - la présence de polarisation peut se manifester sous la forme d'un mode E (composante irrotationnelle) et d'un mode B (vortex). La récente excitation joyeuse associée aux modes B préhistoriques dans la polarisation du KMFI, et la possibilité de leur détection directe méritent d'être connues à ce sujet. Ils nous donneront l'accès le plus facile à l'information sur l'énergie utilisée pendant l'inflation, l'une des premières étapes du développement de l'Univers, dont les traces peuvent être trouvées dans d'autres paramètres mesurés. Les modes B ne sont qu'une partie de toute l'histoire de la polarisation.La lumière KMPI n'est pas seulement une lueur
En résumé, nous rappelons la première partie: le plus grand signal KMFI est présent sous forme de fluctuations de température de la lumière (ou photons). Une mer d'électrons et de photons libres interagit très souvent les uns avec les autres (via la diffusion Thomson), et les électrons restent libres, car les photons ont suffisamment d'énergie pour empêcher les électrons de se combiner avec les noyaux atomiques. Les électrons sont associés aux photons, et en même temps, ils se déplacent constamment entre les régions de densité accrue formées par l'agglutination de la matière noire.
Dans le même temps, l'espace se dilate, ce qui augmente la longueur d'onde des photons, à cause de laquelle ils perdent de l'énergie. En conséquence, les photons perdent suffisamment d'énergie pour que les électrons puissent se combiner avec les noyaux, la diffusion de Thomson cesse et la lumière peut se propager sans entrave. Ce moment s'appelle la recombinaison, et l'endroit d'où proviennent les photons s'appelle la surface de la dernière diffusion. Les graphiques d'observation KMPI en forme d'oeuf montrent les taches chaudes et froides de photons à la surface de la dernière diffusion dans le ciel, réparties selon les conditions précédant la recombinaison de l'Univers.Mais la distribution de température n'est qu'une partie des informations chiffrées dans la physique de l'Univers de cette époque. De plus, les ondes lumineuses contiennent une orientation préférée dans différentes parties du ciel, c'est-à-dire que, selon la direction de la source, l'onde lumineuse oscille davantage dans une direction que dans l'autre. Cette orientation - la direction préférée de l'oscillation des ondes - est la polarisation.Polarisation
La polarisation est plus facile à imaginer que la température. La polarisation des photons KMFI et la surface de la dernière diffusion sont les fruits de la diffusion Thomson, et non un mélange complexe de diffusion et d'oscillations dues à l'écoulement vers l'extérieur de la matière noire et de la pression des photons dans les régions, comme c'est le cas avec la température. En d'autres termes, malgré la prévalence dans l'Univers, la matière noire n'affecte pas la polarisation des photons KMFI. La polarisation peut également se produire en raison de la lentille gravitationnelle, et la physique de la matière noire et des amas galactiques est impliquée dans ce processus. Mais dans l'article, je ne considère que la polarisation à la surface de la dernière diffusion.
Pour comprendre comment la diffusion Thomson conduit à la polarisation, nous devons comprendre comment ce processus se produit. Une explication simple est une collision de deux objets et, comme pour presque n'importe quel concept physique, une explication simple sera incomplète. Pour clarifier, nous devons clarifier trois choses:1. les photons se composent d'un champ électrique et magnétique,2. les électrons commencent à se déplacer lorsqu'ils sont exposés à un champ électrique,3. lors de l'accélération, un électron émet un photon, et le plus souvent - à un angle de 90 degrés par rapport à la direction du mouvement .Dans le cadre de notre sujet, un photon de KMFI est absorbé par un électron, et l'électron est accéléré dans la direction du champ électrique du photon. En conséquence, l'électron émet un nouveau photon de sorte que son champ électrique est dirigé dans une certaine direction et a la même fréquence que le photon d'origine. C'est ce qui donne la lumière polarisée: un photon d'une région où, en moyenne, le champ électrique des photons est orienté dans une certaine direction.
Mais cela ne suffit pas pour polariser le KMFI. Nous avons également besoin d'une configuration spéciale d'électrons et de photons, lorsqu'un électron «voit» les photons chauds d'en haut et d'en bas, et les plus froids de gauche et de droite. Un tel agencement, des sections chaudes en face l'une de l'autre et froides l'une en face de l'autre, est appelé quadripôle .
S'il y a un arrangement quadripolaire autour de l'électron, les photons entrants des régions chaudes accélèrent les électrons plus que les photons plus froids. La lumière réémise par l'électron devient polarisée, car la plus grande partie de la force du champ électrique sera alignée avec l'emplacement des points chauds. Il s'avère également que seul le quadripôle conduit à la polarisation - des configurations plus complexes de sections chaudes et froides ne conduisent pas à la polarisation observée dans le KMFI.
Encore une fois.• Les photons sont composés de champs électriques et magnétiques et accélèrent l'électron pendant l'interaction.• En raison de l'accélération, l'électron émet un nouveau photon.• Les quadripôles, visibles par les électrons, accélèrent l'électron de telle sorte que les photons qu'il émet sont polarisés.• Enfin, seuls les quadripôles conduisent à la polarisation observée dans le KMFI.Nous configurons les quadripôles
Il s'avère que pour l'apparition de la polarisation, nous avons besoin de quadripôles. Comment les obtenir? Il existe deux mécanismes principaux pour leur production: les fluctuations de densité et les ondes gravitationnelles.Les fluctuations de densité conduisent à l'apparition de la distribution de température que nous observons. Il existe des régions denses de matière noire froissée (et, dans une moindre mesure, de matière ordinaire) qui attirent les photons et les électrons. Dans la première partie, nous avons déjà décrit comment cela fonctionne et conduit à la création de patchs chauds et froids. Ainsi, là où les fluctuations de température, il devrait y avoir des fluctuations de polarisation.
Image de la déformation d'un anneau de particules lors du passage d'une onde gravitationnelle. Dans KMFI, l'extension rend les photons plus froids et la compression plus chaude, ce qui crée des quadripôles menant à la polarisationLes ondes gravitationnelles créent des quadripôles d'une manière différente, étirant et compressant l'espace. Les images ci-dessus montrent comment l'anneau de particules changera à travers une onde gravitationnelle passante. Ces déformations affectent également la longueur d'onde, ce qui rend le photon plus chaud s'il se trouve dans la région contractante et plus froid dans la région d'étirement. À partir des images, il est facile de comprendre comment les points chauds apparaissent au-dessus et en dessous de l'électron, et les points froids à gauche et à droite.
Et le b-mod?
Un type spécial de polarisation, le mode B, a récemment été largement couvert par la presse. Comment sont-ils liés à la polarisation décrite?Chaque champ de polarisation peut être divisé en deux parties: la partie où les particules proviennent d'un certain point au centre (modes E) et la partie où les particules se tordent vers la droite ou la gauche autour d'un certain point (mode B). Si l'on se souvient du cours d'institut en physique, le premier cas correspond à un rayonnement sans turbulence, et le second à un rayonnement sans divergence. Les noms E- et B- proviennent d'analogues de champs qui apparaissent dans les équations de Maxwell dans le vide, où le champ E n'a pas de turbulence et le champ B n'a pas de divergence.Les fluctuations de densité - lorsque nous obtenons une distribution quadripolaire des sections chaudes et froides autour d'un électron - fonctionnent sur l'émission des modes E, et les ondes gravitationnelles - anneaux de traction - conduisent à l'apparition du mode E et du mode B. En conséquence, les modes B dans la polarisation du QMFR ne sont produits que par des ondes gravitationnelles (si nous parlons exclusivement de la surface de la dernière diffusion), et les modes E apparaissent à la fois à la suite d'ondes gravitationnelles et de fluctuations de densité. Étant donné que les fluctuations de densité influencent beaucoup plus que les ondes gravitationnelles, le signal en mode E devrait prévaloir dans les effets de densité, qui coïncident avec les observations. Par conséquent, la mesure des modes B est l'objectif principal des expérimentateurs cherchant à voir les ondes gravitationnelles préhistoriques dans le KMPI.Par conséquent, la recherche de modes B est une priorité parmi la communauté cosmologique. Plus tôt, l'équipe du BICEP2 a annoncé la découverte de modes B préhistoriques, mais cette analyse a été remise en question et nécessite des observations supplémentaires. Plusieurs expériences sont en préparation, de Planck à EBEX, SPTPol, Spider et autres.Bien sûr, nous attendrons beaucoup de nouvelles racontant ces expériences. Et en mettant en lumière la nature de l'Univers primitif, nous pouvons même être en mesure de détecter la trace la plus insaisissable de la lueur résiduelle du Big Bang: des ondulations sur le tissu même de l'espace!Source: https://habr.com/ru/post/fr397597/
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