Na primeira parte, falamos sobre pequenas flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo em microondas (KMPI). Agora vamos mudar para outro componente do KMFI, aproximadamente 100 vezes menor que o sinal de temperatura: polarização. Embora estejamos discutindo conceitos que são vagamente relacionados à nossa experiência diária, é preciso lembrar que a radiação residual do Big Bang é, de fato, apenas luz. E a luz é uma onda eletromagnética, um conjunto oscilante de campos elétricos (E) e campos magnéticos (B) se propagando à velocidade da luz.



Devemos dizer imediatamente que, como os fótons possuem campos elétricos e magnéticos - que são diferentes entre si, mas estão acoplados - a presença de polarização pode se manifestar na forma de um modo E (componente irrotacional) e um modo B (vórtice). A recente animação alegre associada aos modos B pré-históricos na polarização do KMFI e a possibilidade de sua detecção direta merecem ser conhecidas. Eles nos darão o acesso mais fácil a informações sobre a energia envolvida durante a inflação, um dos primeiros estágios do desenvolvimento do Universo, cujos traços podem ser encontrados em outros parâmetros medidos. Os modos B são apenas parte de toda a história da polarização.

A luz KMPI não é apenas um brilho

Em poucas palavras, lembramos a primeira parte: o maior sinal KMFI está presente na forma de flutuações de temperatura da luz (ou fótons). Um mar de elétrons e fótons livres interage com muita frequência (via dispersão de Thomson), e os elétrons permanecem livres, porque os fótons têm energia suficiente para impedir que os elétrons se combinem com os núcleos atômicos. Os elétrons estão associados aos fótons e, ao mesmo tempo, movem-se constantemente entre regiões de maior densidade formadas pelo aglomerado de matéria escura.



Ao mesmo tempo, o espaço se expande, o que aumenta o comprimento de onda dos fótons, por causa dos quais eles perdem energia. Como resultado, os fótons perdem energia suficiente para que os elétrons possam se combinar com os núcleos, a dispersão de Thomson cessa e a luz pode se propagar sem impedimentos. Esse momento é chamado recombinação, e o local de onde os fótons vêm é chamado superfície da última dispersão. Os gráficos de observação em forma de ovo do KMFI mostram os pontos quentes e frios dos fótons na superfície da última dispersão no céu, distribuídos de acordo com as condições anteriores à recombinação do Universo.

Mas a distribuição de temperatura é apenas parte das informações criptografadas na física do universo da época. Além disso, as ondas de luz contêm uma orientação preferida em diferentes partes do céu, ou seja, dependendo da direção da fonte, a onda de luz oscila em uma direção mais do que na outra. Essa orientação - a direção preferida da oscilação das ondas - é a polarização.

Polarização

A polarização é mais fácil de imaginar do que a temperatura. A polarização dos fótons KMFI e a superfície do último espalhamento são os frutos do espalhamento Thomson, e não uma mistura complexa de espalhamento e oscilações devido ao fluxo externo de matéria escura e pressão do fóton nas regiões, como é o caso da temperatura. Em outras palavras, apesar da prevalência no Universo, a matéria escura não afeta a polarização dos fótons de KMFI. A polarização também pode ocorrer devido às lentes gravitacionais, e a física da matéria escura e dos aglomerados galácticos está envolvida nesse processo. Mas no artigo considero apenas a polarização na superfície da última dispersão.



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No contexto de nosso tópico, um fóton do KMFI é absorvido por um elétron, e o elétron é acelerado na direção do campo elétrico do fóton. Como resultado, o elétron emite um novo fóton, de modo que seu campo elétrico seja direcionado em uma determinada direção e tenha a mesma frequência do fóton original. É isso que fornece luz polarizada: um fóton de uma região onde, em média, o campo elétrico do fóton é orientado em uma determinada direção.





Mas isso não é suficiente para polarizar o KMFI. Também precisamos de uma configuração especial de elétrons e fótons, quando um elétron "vê" fótons quentes de cima e de baixo e mais frios da esquerda e da direita. Tal arranjo, seções quentes opostas uma à outra e fria oposta uma à outra, é conhecido como quadrupolo .



Se houver um arranjo quadrupolo ao redor do elétron, os fótons recebidos das regiões quentes aceleram mais os elétrons do que os fótons mais frios. A luz reemitida pelo elétron torna-se polarizada, pois a maior parte da força do campo elétrico será alinhada com a localização dos pontos quentes. Acontece também que apenas o quadrupolo leva à polarização - configurações mais complexas de seções quentes e frias não levam à polarização observada no KMFI.





Então de novo.

• Os fótons são compostos de campos elétricos e magnéticos e aceleram o elétron durante a interação.
• Devido à aceleração, o elétron emite um novo fóton.
• Quadrupolos, visíveis pelos elétrons, aceleram o elétron de maneira que os fótons que ele emite sejam polarizados.
• Finalmente, apenas quadrupolos levam à polarização observada no KMFI.

Configuramos quadrupoles

Acontece que, para o aparecimento da polarização, precisamos de quadrupolos. Como obtê-los? Existem dois mecanismos principais para sua produção: flutuações de densidade e ondas gravitacionais.

As flutuações de densidade levam ao aparecimento da distribuição de temperatura que observamos. Existem regiões densas de matéria escura amassada (e, em menor grau, matéria comum) que atraem fótons e elétrons. Na primeira parte, já descrevemos como isso funciona e leva à criação de patches quentes e frios. Então, onde a temperatura varia, deve haver flutuações de polarização.




Imagem de deformação de um anel de partículas durante a passagem de uma onda gravitacional. No KMFI, a extensão torna os fótons mais frios e a compressão mais quente, o que cria quadrupolos levando à polarização

As ondas gravitacionais criam quadrupolos de uma maneira diferente, esticando e comprimindo o espaço. As figuras acima mostram como o anel de partículas mudará através de uma onda gravitacional que passa. Essas deformações também afetam o comprimento de onda, fazendo com que o fóton pareça mais quente se estiver na região de contração e mais frio na região de alongamento. A partir das figuras, é fácil entender como os pontos quentes aparecem acima e abaixo do elétron e os frios à esquerda e à direita.



E o b-mod?





Um tipo especial de polarização, o modo B, foi recentemente amplamente abordado na imprensa. Como eles estão relacionados à polarização descrita?

Cada campo de polarização pode ser dividido em duas partes: a parte em que as partículas vêm de um certo ponto no centro (modos E) e a parte em que as partículas se torcem para a direita ou esquerda em torno de um determinado ponto (modo B). Se recordarmos o curso de física do instituto, o primeiro caso corresponde à radiação sem turbulência e o segundo à radiação sem divergência. Os nomes E- e B- vêm de análogos de campos que aparecem nas equações de Maxwell no vácuo, onde o campo E não tem turbulência e o campo B não tem divergência.

Flutuações de densidade - quando obtemos uma distribuição quadrupolo de seções quentes e frias ao redor de um elétron - trabalha na emissão dos modos E, e as ondas gravitacionais - anéis de tração - levam ao aparecimento dos modos E e B. Como resultado, os modos B na polarização do QMFR são produzidos apenas por ondas gravitacionais (se estamos falando exclusivamente da superfície da última dispersão), e os modos E aparecem tanto como resultado de ondas gravitacionais e flutuações de densidade. Como as flutuações da densidade influenciam muito mais do que as ondas gravitacionais, o sinal do modo E deve prevalecer nos efeitos da densidade, o que coincide com as observações. Portanto, a medição dos modos B é o principal objetivo dos pesquisadores que procuram ver as ondas gravitacionais pré-históricas no KMPI.

Portanto, a busca pelos modos B é uma prioridade entre a comunidade cosmológica. Anteriormente, a equipe do BICEP2 anunciou a descoberta dos modos B pré-históricos, mas essa análise foi questionada e requer observações adicionais. Vários experimentos estão sendo preparados, de Planck a EBEX, SPTPol, Spider e outros.

Obviamente, esperaremos muitas notícias sobre esses experimentos. E, lançando luz sobre a natureza do Universo primitivo, podemos até ser capazes de detectar o traço mais esquivo no brilho residual do Big Bang: ondulações no próprio tecido do espaço!