O răsucire stranie în cea mai veche lumină a universului ar putea fi mai mare decât credeam

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetători a dezvoltat o metodă nouă pentru a reduce incertitudinea în măsurarea unui efect cosmic bizar numit birefringență cosmică — o rotire subtilă a polarizării celei mai vechi lumi din univers, radiația cosmică de fond. Avansul, publicat în Physical Review Letters, oferă un instrument care ar putea crește precizia observațiilor menite să dezvăluie fizică fundamentală nouă, inclusiv particule ipotetice precum axionii și indicii legate de natura materiei întunecate sau a energiei întunecate.

Ce este birefringența cosmică și de ce contează

Radiația cosmică de fond (CMB) este o relicvă a Big Bang-ului: o lumină foarte slabă care păstrează informații esențiale despre stadiile timpurii ale universului. Polarizarea acestei radiații — direcția în care oscilează câmpul electromagnetic — poate suferi o rotație foarte mică pe parcursul evoluției cosmice. Acest micghi de rotație este denumit birefringență cosmică și, dacă este confirmat cu certitudine, poate fi un semnal al unor fenomene fizice care încalcă simetria stânga-dreapta a universului.

Măsurarea unghiului de rotație — unghiul de birefringență — se face prin analiza unei corelații specifice în semnalul CMB, denumită corelația EB. Valori anterioare estimate pentru acest unghi au fost în jur de 0,3 grade, dar precizia acestor estimări este limitată de incertitudini pe care cercetătorii le-au analizat în noul studiu.

Cine sunt cercetătorii și ce au analizat

Analiza a fost condusă de doctorandul Fumihiro Naokawa de la Graduate School of Science, University of Tokyo, în colaborare cu conferențiarul asociat Toshiya Namikawa de la Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI). Echipa a examinat detaliat sursele de incertitudine care afectează măsurătorile birefringenței cosmice și a propus o metodă pentru a le diminua, evidențiind totodată o posibilă reinterpretare a valorilor anterioare.

Ambiguitatea de fază: analogia ceasului

O dificultate fundamentală identificată de autorii studiului este o ambiguitate de fază în determinarea unghiului de rotație. Pentru a ilustra această problemă, cercetătorii au folosit o analogie intuitivă: un ceas. Privind doar poziția limbelor unui ceas, nu poți spune în ce zi te afli fără a ști câte rotații complete au făcut acele lămbe de la un moment de referință. În termeni științifici, aceasta se numește o ambiguitate de fază de 360 de grade.

În mod similar, radiația cosmică de fond observabilă ne arată doar starea curentă a polarizării; unghiuri precum 0,3 grade, 180,3 grade sau 360,3 grade ar fi, dintr-o perspectivă strict observabilă, nedistinguibile. Cercetătorii subliniază că, pentru birefringență, ambiguitatea de fază relevantă este de 180 de grade: măsurători care indică un anumit unghi ar putea la fel de bine să corespundă aceluiași unghi adăugat cu multipli de 180 de grade.

Cum poate fi rezolvată ambiguitatea

Răspunsul echipei a venit din analiza formei detaliate a semnalului de corelație EB. Ei au descoperit că nu doar amplitudinea semnalului EB este informativă, ci și forma sa detaliată conține indicii despre numărul de rotații prin care a trecut direcția de polarizare. Prin examinarea acestor trăsături subtile din semnalul EB, se poate determina unghiul real de rotație și se poate elimina ambiguitatea de fază.

În practică, această tehnică implică o analiză atentă a dependenței în funcție de scara de frecvență și de forma spectrului de corelație EB, pentru a extrage semnături care ar fi altfel ascunse atunci când se ia în considerare doar o măsură globală simplificată.

Implicații pentru experimentele cosmologice viitoare

Metoda propusă oferă un instrument analizelor de înaltă precizie planificate pentru următorii ani. Printre proiectele care ar putea beneficia de această tehnică se numără Simons Observatory și misiunea spațială LiteBIRD, ambele concepute pentru a măsura polarizarea radiației cosmice de fond cu sensibilități fără precedent.

O consecință importantă a lucrării este legătura identificată între ambiguitatea de fază a birefringenței și un alt tip de corelație din CMB, denumită corelația EE. Corelația EE este folosită de cosmologi pentru a estima proprietăți cheie ale universului, cum ar fi „adâncimea optică” (optical depth), o mărime relevantă în studiul reionizării cosmice. Autorii atrag atenția că, odată luată în considerare incertitudinea de fază, semnalul birefringenței poate afecta interpretarea corelației EE, ceea ce impune o reevaluare a unor măsurători ale adâncimii optice raportate anterior.

O metodă alternativă de confirmare: radiogalaxii alimentate de găuri negre supermasive

Într-un studiu separat, tot publicat în Physical Review Letters, Fumihiro Naokawa a propus o modalitate complementară de a reduce erorile instrumentale care pot pătrunde în măsurătorile birefringenței. Această abordare sugerează observarea unor surse cosmice specifice — în special radiogalaxii alimentate de gauri negre supermasive — pentru a confirma direct efectul.

Observațiile acestor surse astrale pot oferi o metodă independentă de verificare a birefringenței cosmice, întrucât polarizarea emisă de asemenea obiecte poate fi studiată și comparată cu semnalul CMB. Această strategie ar putea, prin urmare, să întărească dovezile pentru existența unei rotații a polarizării și să ofere indicii suplimentare despre natura energiei întunecate.

Conexiunea cu fizica fundamentală: ce ar putea însemna un unghi mai mare

Dacă unghiul real de birefringență este mai mare decât estimările anterioare de circa 0,3 grade, implicațiile pot fi profunde. Un semnal solid de birefringență ar putea indica prezența unor teorii fizice care introduc particule scalare sau pseudo-scalare, cum ar fi axionii, care interacționează cu fotonii și pot cauza rotația polarizării. Axionii sunt printre cei mai propuşi candidați pentru materia întunecată, iar detectarea unui efect coerent în CMB legat de aceștia ar fi un pas major spre înțelegerea materiei întunecate.

De asemenea, semne de violare a simetriei stânga-dreapta la scară cosmologică pot sugera mecanisme noi în fizica fundamentală ce influențează evoluția energiei întunecate. Autorii rămân însă prudenți: interpretarea fizică necesită confirmări multiple și extragerea clară a semnalului față de zgomotul instrumental și alte efecte sistematice.

Studii și referințe cheie

Rezultatele prezentate provin din două lucrări publicate în aceeași revistă de prestigiu. Pentru detalii tehnice și pentru a examina metodologia completă și calculele care susțin concluziile, cititorii pot consulta materialele puse la dispoziție de institutul implicat și articolele științifice originale.

Materiale informative sunt disponibile pe site-ul institutului implicat: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe – materiale.

Articolele citate în studiu sunt menționate mai jos; pentru consultare tehnică a lucrărilor publicate în Physical Review Letters, se indică următoarele referințe:

• Fumihiro Naokawa, Toshiya Namikawa, Kai Murai, Ippei Obata, Kohei Kamada. Ambiguitatea de fază nπ a birefringenței cosmice. Physical Review Letters, 2026; 136 (4) DOI: 10.1103/6z1m-r1j5 (http://dx.doi.org/10.1103/6z1m-r1j5)
• Fumihiro Naokawa. Profil universal pentru tomografia birefringenței cosmice folosind radiogalaxii. Physical Review Letters, 2026; 136 (4) DOI: 10.1103/srfg-9fdy (http://dx.doi.org/10.1103/srfg-9fdy)

Pentru acces direct la versiunile digitale ale lucrărilor științifice, se pot consulta identificatorii DOI: http://dx.doi.org/10.1103/6z1m-r1j5 și http://dx.doi.org/10.1103/srfg-9fdy.

Luate împreună, aceste rezultate reprezintă un pas metodologic important în eforturile de detectare și interpretare a birefringenței cosmice. Pe măsură ce experimentele viitoare oferă date mai sensibile, aplicarea tehnicii propuse va fi esențială pentru obținerea unui semnal robust și pentru înțelegerea fizicii care ar putea sta la baza unei răsuciri subtile a celei mai vechi lumini a universului.