Is ‘dubbele breking’ ontdekt in de kosmische microgolf-achtergrondstraling?

De CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

De kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) is het oudste licht van het heelal, het is de straling die afkomstig is van de hete oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal onstond. Vandaag de dag is de straling van de CMB afgekoeld tot 2,7K, ietsje boven het absolute nulpunt dus, maar toen de fotonen van de CMB zich 380.000 jaar na de oerknal loskoppelden van de baryonen en elektronen was de temperatuur 3000K. De CMB is afgelopen jaren uitvoerig bestudeerd door de Europese Planck satelliet, die alle minieme temperatuurvariaties in de straling heeft vastgelegd.

Een illustratie van kosmische dubbele breking. De linker- en rechterafbeeldingen geven de CMB weer voor (links) en nadat (rechts) fotonen naar ons toe beginnen te reizen. Je ziet dat de golflengte van het CMB-foton wordt geroteerd met een hoek , die de rotatie als gevolg van kosmische dubbele breking vertegenwoordigt. Hierdoor verandert het polarisatiepatroon (zwarte lijnen in het beeld) van de CMB. Credit: Eiichiro Komatsu

Eiichiro Komatsu (Max-Planck-Institut für Astrophysik) heeft die (publiekelijk beschikbare) gegevens van Planck statistisch geanalyseerd en dat deed hij om er achter te komen of er in de CMB mogelijk een signaal schuilgaat dat donkere materie en donkere energie (samen de ‘donkere sector’ van het heelal) toen bij dat moment van ‘het laatste oppervlak van de verstrooiing’ 380.000 jaar na de oerknal hebben achtergelaten. Vóór dat moment werden de fotonen voortdurend verstrooid door de elektronen en dat betekende niet alleen dat ze geen vrije doorgang hadden om te bewegen, maar ook dat ze lineair gepolariseerd werden, d.w.z dat de golfbeweging van de fotonen in één enkel vlak trilt (in tegenstelling tot circulaire en elliptische polarisatie). En nu komt het: Komatsu denkt dat de donkere sector, toen ten tijde van dat laatste oppervlak van de verstrooiing ook al invloedrijk op materie en straling, die lineaire polarisatie deels moet hebben bepaald. De extra rotatie van de polarisatie door de donkere sector wordt de kosmische dubbele breking (Engels: cosmic birefringence) genoemd, iets dat lijkt op de dubbele breking die je hebt bij kristal: het verschijnsel dat een op een materiaal invallende lichtbundel wordt gesplitst in twee bundels die een verschillend pad volgen, in onderling loodrecht gepolariseerde componenten. Dit verschijnsel werd ontdekt door Christiaan Huygens. In het geval van de kosmische dubbele breking is er geen sprake van kristal dat de breking veroorzaakt, maar een energieveld.

Die kosmische dubbele breking wordt niet voorspeld door het vigerende heelalmodel, het ΛCDM model, het model dat uitgaat van het bestaan van donkere energie (Λ) en koude donkere materie (CDM). Komatsu heeft zoals gezegd een analyse losgelaten op de Planck gegevens van de CMB en hij komt tot de conclusie dat er inderdaad een zwak signaal van kosmische dubbele breking te zien is, eentje die correspondeert met een hoek van β=0,30° ± 0,11°. Statistische betrouwbaarheid van de analyse is 3σ, te weinig om te spreken van een daadwerkelijk bewijs, want daarvoor is 5σ nodig.

Maar dat is nog niet alles wat Komatsu denkt over de CMB. Want hij is ook gaan rekenen aan een mogelijk signaal van B-mode polarisatie. De CMB kent twee modi van polarisatie, te weten de E- en B-modus. Die hebben een analogie met de welbekende elektrostatica, de leer van de rustende of statische elektriciteit, waarin de eigenschappen van statische elektrische ladingen worden bestudeerd. In de elektrostatica heeft het elektrisch veld (E-veld) een verdwijnende vector rotatie, het magnetische veld (B-veld) een verdwijnende vector divergentie – verdwijnend in de zin dat ze naar 0 gaan. De E-mode polarisatie in de CMB is ontstaan door eerder genoemde Thompson verstrooiing van de straling, kort voor het laatste oppervlak van de verstrooiing. B-mode polarisatie is er weer in twee varianten (om het nog ingewikkelder te maken), de ‘lensed B-mode polarisatie’ en de ‘primordiale B-mode polarisatie’. Die eerste variant is een soort van vervuiling door gravitatielenzen, ontstaan door clusters van sterrenstelsels die het CMB licht beïnvloeden, de andere variant is niet vervuild, dat zijn de primordiale B-modi, afkomstig uit de inflatieperiode, zeer kort na de oerknal. Hieronder een illustratie van de E- en B-modi polarisatie, links de E-modus, rechts B-modus. Merk op dat bij de B-modus de vibraties van het licht telkens 45° van elkaar verschillen.

Een B-modus in de CMB zou dus een bewijs kunnen leveren voor de inflatieperiode die kort na de oerknal plaatsvond. Uitgaande van één specifiek inflatiemodel denkt Komatsu dat de B-modus detecteerbaar is en wel met de LiteBird missie, die voor lancering in 2028 gepland staat. Hieronder zie je in de grafiek een weergave van een zogeheten powerspectrum van de B-modus, gekoppeld aan de hoekgraad aan de hemel (weergegeven met het multipole moment l). De rode stippellijn is hetgeen Komatsu voorspelt en dat signaal moet volgens hem detecteerbaar zijn voor LiteBird.

Credit: Eiichiro Komatsu

OK, tot zover de analyses en voorspellingen. Laten we daar gelijk een winstwaarschuwing bij geven: statistische analyses van gegevens kúnnen er naast zitten, ook al is de statistische betrouwbaarheid van de analyse hoog. We hebben dat eerder gezien, óók bij de CMB. In 2014 meenden de onderzoekers verbonden aan de BICEP2 detector op de Zuidpool ook een signaal van B-modus in de CMB te hebben gezien, óók in de vorm van polarisatie (zie de grafiek hieronder). Maar wat bleek later: de polarisatie komt niet door primordiale zwaartekrachtgolven uit de inflatieperiode van de oerknal, maar door stof uit de Melkweg.

Credit: BICEP2 Collaboration

Het is dus zeker te vroeg om nu al te spreken van een doorbraak en van nieuwe natuurkunde voorbij het Standaard Model en voorbij ΛCDM model. Eerst maar eens de metingen afwachten van de toekomstige missies die de CMB gaan bestuderen, zoals LiteBird en SPT-4. Hier is het vakartikel van Komatsu over zijn analyses van de CMB, te verschijnen in Nature Reviews Physics. Bron: Astrobites.

Gerelateerde Astroblogs:

Zwaartekrachtlenzen kunnen invloed hebben op de kosmische dubbele breking Verband ontdekt tussen de donkere materie en de klonterigheid van materie in het heelal