研究人员发现引力透镜对宇宙双折射有重大影响

哈耶萨鲁亚源

除了宇宙双折射之外，宇宙微波背景(CMB)偏振光还受到引力透镜效应的影响。在最左边，白线显示了早期宇宙中产生的CMB光的偏振模式。这些粒子由于宇宙双折射而旋转，导致了现在观测到的CMB，由图像右侧的黑线表示。然而，光的路径被中间大尺度结构造成的时空引力扭曲弯曲了，因此图像右侧显示偏振模式的白线显示了所观察到的内容。学分:物理评论D (2023)。DOI:10.1103/phys revd . 108.063525

（）据东京大学宇宙物理和数学研究所：《物理评论D》的一项新研究报告称，在两名研究人员设法考虑到引力透镜效应后，未来的任务将能够更准确地发现宇宙微波背景极化中违反宇称对称性的信号，该研究被选为编辑建议。

宇宙延伸到多远？宇宙是何时以及如何开始的？宇宙学通过为基于基础物理学的宇宙理论模型提供观测证据，在解决这些问题方面取得了进展。宇宙学的标准模型如今被研究人员广泛接受。然而，它仍然无法解释宇宙学中的基本问题，包括暗物质和暗能量。

2020年，从宇宙微波背景(CMB)偏振数据中报告了一种有趣的新现象，称为宇宙双折射。偏振描述的是光波垂直于其传播方向振荡。一般来说，偏振面的方向保持不变，但在特殊情况下可以旋转。

对CMB数据的重新分析显示，CMB光的偏振面可能在宇宙早期和今天之间发生了轻微的旋转。这种现象违反了宇称对称性，被称为宇宙双折射。

因为宇宙双折射很难用众所周知的物理定律来解释，所以它背后很有可能存在尚未发现的物理现象，如轴类粒子(ALPs)。宇宙双折射的发现可能会导致揭示暗物质和暗能量的本质，因此未来的任务将集中在对CMB进行更精确的观测上。



智利的西蒙斯天文台。信用:黛布拉·凯尔纳

要做到这一点，提高当前理论计算的准确性是很重要的，但这些计算迄今为止还不够准确，因为它们没有考虑重力透镜效应。

由东京大学物理系和早期宇宙研究中心博士生Fumihiro Naokawa以及数据驱动发现中心和宇宙物理和数学Kavli研究所(Kavli IPMU)项目助理教授Toshiya Namikawa领导的一对研究人员进行的一项新研究，建立了一个包含引力透镜效应的宇宙双折射理论计算，并致力于开发一个包含引力透镜效应的宇宙双折射数值代码，这对未来的分析是不可或缺的。

首先，Naokawa和Namikawa导出了一个描述引力透镜效应如何改变宇宙双折射信号的分析方程。基于这个方程，研究人员对现有的代码实施了一个新的程序来计算引力透镜校正，然后查看有和没有引力透镜校正的信号差异。



有和没有引力透镜的宇宙双折射信号的差异。蓝点表示忽略引力透镜效应时的信号，红点表示考虑引力透镜效应时的信号。红色误差条表示使用西蒙斯天文台时的预期观测误差。有和没有引力透镜的差别是不可忽略的。学分:物理评论D (2023)。DOI:10.1103/phys revd . 108.063525

因此，研究人员发现，如果忽略引力透镜，观察到的宇宙双折射信号不能很好地符合理论预测，这将在统计上拒绝真正的理论。

此外，两人创造了模拟观测数据，这些数据将在未来的观测中获得，以了解引力透镜在寻找阿尔卑斯山中的作用。他们发现，如果不考虑引力透镜效应，根据观测数据估计的ALPs模型参数将存在统计上显著的系统偏差，这将不会准确反映ALPs模型。

这项研究中开发的引力透镜校正工具已经在今天的观测研究中使用，Naokawa和Namikawa将继续使用它来分析未来任务的数据。