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引力透镜对宇宙双折射的影响

科学探索万象经验2024-01-15

宇宙双折射是一种奇特的现象,它指的是宇宙微波背景(CMB)的线偏振光在从早期宇宙发出到今天被我们观测到的过程中,其偏振平面发生了微小的旋转。这种旋转违反了宇宙的宇称对称性,也就是说,如果我们用一面镜子反射宇宙,那么反射后的宇宙和原来的宇宙是不一样的。

那么,为什么会出现这种旋转呢?有一种可能的解释是存在一种轴子类粒子(ALPs),它们是一种假想的超轻的标量场,可以和电磁场耦合,从而导致光的偏振平面在穿过宇宙时发生旋转。这种旋转的角度和ALPs的质量和耦合强度有关,因此,如果我们能够测量出这个角度,就可以对ALPs的性质有所了解。

要测量宇宙双折射,我们需要利用CMB的偏振信息。CMB的偏振可以分解为两种模式:E模式和B模式。E模式是偶宇称的,也就是说,它在镜像反射后不变;B模式是奇宇称的,它在镜像反射后会变号。如果宇宙是宇称对称的,那么CMB的偏振只有E模式,没有B模式。但是,如果存在宇宙双折射,那么CMB的偏振就会有一部分E模式转化为B模式,或者反过来。因此,我们可以通过测量CMB的EB互相关功率谱,也就是E模式和B模式之间的相关性,来探测宇宙双折射的信号。

在我们测量CMB的偏振时,还有一个重要的因素要考虑,那就是引力透镜的效应。引力透镜是指沿途的大质量天体对CMB的光线产生的偏折,这会导致CMB的温度和偏振的畸变。引力透镜对CMB的偏振的主要效果是把E模式转化为B模式,从而产生一个偶宇称的B模式信号。这个信号可以用来探测宇宙的大尺度结构和暗能量的性质,但是也会和宇宙双折射产生的奇宇称的B模式信号混淆。

为了区分这两种B模式信号,我们需要考虑它们的不同特征。引力透镜产生的B模式信号是随机的,也就是说,它在不同的天区之间没有相关性;而宇宙双折射产生的B模式信号是确定的,也就是说,它在不同的天区之间有相同的相位。因此,如果我们能够测量CMB的偏振在不同的天区之间的相关性,就可以分离出这两种B模式信号。这就是最近发表的一篇论文所做的事情。

他们计算了引力透镜对宇宙双折射产生的EB互相关功率谱的影响,发现这个影响是非常重要的,尤其是在高分辨率的CMB实验中,比如Simons Observatory和CMB-S4。他们发现,如果忽略了引力透镜的影响,那么观测到的EB互相关功率谱就不能很好地用理论预测来拟合,这会导致统计上拒绝真实的理论。他们也发现,如果忽略了引力透镜的影响,那么估计出的ALPs的参数就会有偏差。因此,引力透镜对EB互相关功率谱的修正必须包含在未来的高分辨率的CMB实验中。