Pada bagian pertama, kami berbicara tentang fluktuasi suhu kecil dalam radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (KMPI). Sekarang kita akan beralih ke komponen lain dari KMFI, sekitar 100 kali lebih kecil dari sinyal suhu: polarisasi. Meskipun kita membahas konsep-konsep yang secara longgar terkait dengan pengalaman kita sehari-hari, harus diingat bahwa radiasi residual dari Big Bang sebenarnya hanya cahaya. Dan cahaya adalah gelombang elektromagnetik, seperangkat medan listrik (E) yang berosilasi dan medan magnet (B) yang merambat dengan kecepatan cahaya.

Kita harus segera mengatakan bahwa karena foton memiliki medan listrik dan magnet - yang berbeda satu sama lain, tetapi digabungkan - kehadiran polarisasi dapat memanifestasikan dirinya dalam bentuk E-mode (komponen irrotasional) dan B-mode (vortex). Kegembiraan yang menyenangkan baru-baru ini terkait dengan mode B prasejarah dalam polarisasi KMFI, dan kemungkinan deteksi langsung mereka perlu diketahui tentang hal itu. Mereka akan memberi kita akses termudah ke informasi tentang energi yang digunakan selama inflasi, salah satu tahap paling awal dari pengembangan Semesta, yang jejaknya dapat ditemukan dalam beberapa parameter terukur lainnya. B-mode hanya bagian dari seluruh sejarah polarisasi.

Cahaya KMPI bukan hanya cahaya

Singkatnya, kita mengingat bagian pertama: sinyal KMFI terbesar hadir dalam bentuk fluktuasi suhu cahaya (atau foton). Lautan elektron bebas dan foton berinteraksi satu sama lain sangat sering (melalui hamburan Thomson), dan elektron tetap bebas, karena foton memiliki energi yang cukup untuk menjaga elektron agar tidak bergabung dengan inti atom. Elektron dikaitkan dengan foton, dan pada saat yang sama, mereka terus bergerak di antara daerah dengan kepadatan yang meningkat yang terbentuk oleh penggumpalan materi gelap.

Pada saat yang sama, ruang mengembang, yang meningkatkan panjang gelombang foton, karena itu mereka kehilangan energi. Akibatnya, foton kehilangan energi yang cukup sehingga elektron dapat bergabung dengan inti, hamburan Thomson berhenti, dan cahaya dapat merambat tanpa hambatan. Momen ini disebut rekombinasi, dan tempat asal foton disebut permukaan hamburan terakhir. Grafik pengamatan berbentuk telur dari KMFI menunjukkan bintik-bintik panas dan dingin dari foton di permukaan hamburan terakhir di seluruh langit, didistribusikan sesuai dengan kondisi sebelum rekombinasi Semesta.

Tetapi distribusi suhu hanyalah bagian dari informasi yang dienkripsi dalam fisika Semesta saat itu. Selain itu, gelombang cahaya mengandung orientasi yang lebih disukai di berbagai bagian langit, yaitu, tergantung pada arah ke sumbernya, gelombang cahaya berosilasi dalam satu arah lebih dari pada yang lain. Orientasi ini - arah osilasi gelombang yang disukai - adalah polarisasi.

Polarisasi

Polarisasi lebih mudah dibayangkan daripada suhu. Polarisasi foton KMFI dan permukaan hamburan terakhir adalah buah hamburan Thomson, dan bukan campuran hamburan dan osilasi kompleks karena aliran luar materi gelap dan tekanan foton ke daerah, seperti halnya dengan suhu. Dengan kata lain, terlepas dari prevalensi di Semesta, materi gelap tidak memengaruhi polarisasi foton KMFI. Polarisasi juga dapat terjadi karena pelensaan gravitasi, dan fisika materi gelap dan kluster galaksi terlibat dalam proses ini. Namun dalam artikel saya hanya mempertimbangkan polarisasi pada permukaan hamburan terakhir.

Untuk memahami bagaimana hamburan Thomson mengarah ke polarisasi, kita perlu memahami bagaimana proses ini terjadi. Penjelasan sederhana tentang itu adalah tabrakan dari dua objek, dan, seperti untuk hampir semua konsep fisik, penjelasan sederhana tidak akan lengkap. Untuk mengklarifikasi, kita perlu mengklarifikasi tiga hal:
1. foton terdiri dari medan listrik dan magnet,
2. elektron mulai bergerak ketika mereka terpapar ke medan listrik,
3. saat berakselerasi, elektron memancarkan foton, dan paling sering - pada sudut 90 derajat ke arah gerak .

Dalam konteks topik kita, foton dari KMFI diserap oleh elektron, dan elektron dipercepat ke arah medan listrik foton. Akibatnya, elektron memancarkan foton baru sehingga medan listriknya diarahkan ke arah tertentu dan memiliki frekuensi yang sama dengan foton aslinya. Inilah yang memberi cahaya terpolarisasi: foton dari suatu daerah di mana, rata-rata, medan listrik foton berorientasi ke arah tertentu.

Tetapi ini tidak cukup untuk mempolarisasi KMFI. Kita juga memerlukan konfigurasi elektron dan foton khusus, ketika sebuah elektron “melihat” foton panas dari atas dan bawah, dan yang lebih dingin dari kiri dan kanan. Pengaturan seperti itu, bagian panas yang saling berhadapan, dan dingin yang saling berhadapan, dikenal sebagai quadrupole .

Jika ada susunan quadrupole di sekitar elektron, foton yang masuk dari daerah panas mempercepat elektron lebih banyak dari pada foton yang lebih dingin. Cahaya yang dipancarkan kembali oleh elektron menjadi terpolarisasi, karena sebagian besar kekuatan medan listrik akan disejajarkan dengan lokasi hot spot. Juga ternyata bahwa hanya quadrupole yang mengarah ke polarisasi - konfigurasi yang lebih kompleks dari bagian panas dan dingin tidak mengarah pada polarisasi yang diamati dalam KMFI.

Jadi lagi.

• Foton terdiri dari medan listrik dan magnet, dan mempercepat elektron selama interaksi.
• Karena percepatan, elektron memancarkan foton baru.
• Quadrupole, terlihat oleh elektron, mempercepat elektron sedemikian rupa sehingga foton yang dipancarkan terpolarisasi.
• Akhirnya, hanya quadrupole yang mengarah pada polarisasi yang diamati dalam KMFI.

Kami mengonfigurasi quadrupoles

Ternyata untuk penampilan polarisasi kita perlu quadrupoles. Bagaimana cara mendapatkannya? Ada dua mekanisme utama untuk produksinya: fluktuasi kepadatan dan gelombang gravitasi.

Fluktuasi kepadatan menyebabkan penampilan distribusi suhu yang kami amati. Ada daerah padat materi gelap kusut (dan, sedikit banyak, materi biasa) yang menarik foton dan elektron. Pada bagian pertama, kami telah menjelaskan bagaimana ini bekerja dan mengarah pada pembuatan tambalan panas dan dingin. Jadi, di mana fluktuasi suhu, harus ada fluktuasi polarisasi.

Gambar deformasi cincin partikel selama gelombang gravitasi. Di KMFI, ekstensi membuat foton lebih dingin dan kompresi lebih panas, yang menciptakan quadrupole yang mengarah ke polarisasi

Gelombang gravitasi menciptakan quadrupole dengan cara yang berbeda, meregangkan dan menekan ruang. Gambar-gambar di atas menunjukkan bagaimana cincin partikel akan berubah melalui gelombang gravitasi yang lewat. Deformasi ini juga mempengaruhi panjang gelombang, membuat foton terlihat lebih panas jika berada di daerah yang berkontraksi dan lebih dingin di daerah peregangan. Dari gambar-gambar itu, mudah dipahami bagaimana bintik-bintik panas muncul di atas dan di bawah elektron, dan titik-titik dingin di sebelah kiri dan kanan.

Bagaimana dengan b-mod?

Jenis polarisasi khusus, mode-B, baru-baru ini banyak dibahas di media. Bagaimana mereka terkait dengan polarisasi yang dijelaskan?

Setiap bidang polarisasi dapat dibagi menjadi dua bagian: bagian di mana partikel berasal dari titik tertentu di pusat (mode-E), dan bagian di mana partikel berputar ke kanan atau ke kiri di sekitar titik tertentu (mode-B). Jika kita mengingat arah institut dalam fisika, kasus pertama berhubungan dengan radiasi tanpa turbulensi, dan yang kedua dengan radiasi tanpa divergensi. Nama E- dan B- berasal dari analog bidang yang muncul dalam persamaan Maxwell dalam ruang hampa, di mana bidang E tidak memiliki turbulensi dan bidang B tidak memiliki divergensi.

Fluktuasi kepadatan - ketika kita mendapatkan distribusi quadrupole dari bagian panas dan dingin di sekitar elektron - bekerja pada emisi mode-E, dan gelombang gravitasi - cincin tarik - mengarah pada tampilan mode-E dan mode-B. Akibatnya, mode-B dalam polarisasi QMFR hanya dihasilkan oleh gelombang gravitasi (jika kita berbicara secara eksklusif tentang permukaan hamburan terakhir), dan mode-E muncul baik sebagai akibat dari gelombang gravitasi dan fluktuasi kepadatan. Karena fluktuasi densitas mempengaruhi jauh lebih banyak daripada gelombang gravitasi, sinyal E-mode seharusnya berlaku dalam efek kepadatan, yang bertepatan dengan pengamatan. Oleh karena itu, pengukuran mode-B adalah tujuan utama para peneliti yang ingin melihat gelombang gravitasi prasejarah di KMPI.

Oleh karena itu, pencarian mode-B adalah prioritas di antara komunitas kosmologis. Sebelumnya, tim BICEP2 mengumumkan penemuan mode-B prasejarah, tetapi analisis ini dipertanyakan, dan itu membutuhkan pengamatan tambahan. Beberapa percobaan sedang dipersiapkan, dari Planck ke EBEX, SPTPol, Spider dan lainnya.

Tentu saja, kami akan menunggu banyak berita yang menceritakan eksperimen ini. Dan menjelaskan sifat alam semesta awal, kita bahkan mungkin dapat mendeteksi jejak yang paling sulit dipahami dalam cahaya sisa dari Big Bang: riak-riak pada jalinan ruang angkasa!

Radiasi peninggalan, bagian 2: bukti Big Bang

Cahaya KMPI bukan hanya cahaya

Polarisasi

Kami mengonfigurasi quadrupoles

More articles: