Illustratie van de dubbele breking in de CMB. Credit: Naokawa and Namikawa,
Vooraf: in 2020 werd door Eiichiro Komatsu (Max-Planck-Institut für Astrophysik) ontdekt dat er aanwijzingen waren dat ‘dubbele breking’ (Engels: birefringence) zichtbaar was in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Egels: CMB), de straling die het overblijfsel is van de hete oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond – zie deze uit 2022 blog daarover, oh ja en deze blog is er sterk aan verwant). Die ontdekking nog even in een notendop:
Credit: Eiichiro Komatsu
De CMB is afgelopen jaren uitvoerig bestudeerd door de Europese Planck satelliet, die alle minieme temperatuurvariaties in de straling heeft vastgelegd. Komatsu heeft die 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 onze landgenoot Christiaan Huygens. In het geval van de kosmische dubbele breking is er geen sprake van kristal dat de breking veroorzaakt, maar een energieveld.
Nu: OK, dan nu het laatste nieuws hierover. Fumihiro Naokawa en Toshiya Namikawa (o.a. KAVLI instituut) hebben gekeken of die dubbele breking mogelijk beïnvloed wordt door de zwaartekrachtlenzen, de ‘natuurlijke’ lenzen waarbij licht (bijvoorbeeld van de CMB) een gekromd pad volgt naar ons toe als gevolg van zware (clusters van) sterrenstelsels tussen ons en de CMB gelegen. De berekeningen van Naokawa en Namikawa laten inderdaad die invloed zien, er is zelfs sprake van een sterke invloed volgens het tweetal. Ze onderzochten hoe wij het CMB signaal zouden zien mèt en zonder die invloed van zwaartekrachtlenzen en dat vergeleken ze vervolgens met de Planck-data van de CMB (zie de grafiek hieronder, waarin de pieken van het power spectrum van de CMB te zien zijn).
Het verschil in het kosmische dubbele brekingssignaal met en zonder zwaartekrachtlenzen. De blauwe stippen tonen de signalen wanneer het zwaartekrachtlenseffect wordt genegeerd, en de rode stippen zijn de signalen wanneer het zwaartekrachtlenseffect mee wordt genomen. Credit: F. Naokawa & T. Namikawa “Gravitational lensing effect on cosmic birefringence”, Phys. Rev. D 108, 063525, Copyright (2023) the American Physical Society
Straks: Uit de berekeningen volgt ook dat in de toekomst in de CMB ook aanwijzingen voor het bestaan van axionen (‘axionlike particles’, ALP’s) gevonden kunnen worden en dat de dubbele breking daar bij kan helpen. Axionen zijn hypothetische zeer lichte deeltjes en ze zijn een mogelijke kandidaat voor donkere materie.
Meer hierover vind je in het vakartikel van Fumihiro Naokawa, Toshiya Namikawa. Gravitational lensing effect on cosmic birefringence. Physical Review D, 2023; 108 (6).
Bron: KAVLI.
Speak Your Mind