При исследовании поляризации реликтового микроволнового излучения астрофизики впервые обнаружили изменение рисунка поляризации света из-за эффекта гравитационного линзирования — искажения движения световых лучей под влиянием массивных космических тел (скоплений галактик) на их пути. Это открытие даёт инструмент для независимого определения массы галактических кластеров.
Массу галактических скоплений, удалённых от нас на миллиарды световых лет, можно определить по искажению ими реликтового космического излучения (CMB). Это явление называется гравитационным линзированием: предсказанное Общей теорией относительности искривление световых лучей вблизи массивного объекта — луч как бы «притягивается» к массивному телу. При этом происходит не только искривление его траектории, но и изменение других его характеристик, в частности, спектра и поляризации. Группа исследователей, занятых в международном проекте исследования реликтового излучения и тёмной энергии (Dark Energy Survey, DES), а также на радиотелескопе Южного полюса (South Pole Telescope) обнаружила искажения поляризации реликтового излучения, вызванные находящимся на пути луча на этом участке неба скоплением галактик с массой около 1014 солнечных масс. Результаты исследований научного коллектива из примерно 130 авторов из 80 научных центров опубликованы в конце октября в статье в Physical Review Letters.
Гравитационное линзирование — метод, который позволяет сделать заключение о массе космических объектов (звёзд или удалённых галактик), наблюдая искажение света от некоторого фонового объекта за ними. Фоновым объектом также может выступать яркая звезда или ещё более удалённая галактика. Искажение может проявляться, например, как искривление пути светового луча — в этом случае наблюдается смещение положения фонового объекта на небе по сравнению с его истинными координатами. В некоторых случаях, особенно если фоновый объект и сама гравитационная линза оказываются почти на одной прямой, могут наблюдаться весьма красочные искажения: например, гравитационная линза может дать несколько псевдоизображений фонового объекта в разных точках неба. Или же «нарисовать» на небе фоновый объект в виде светящейся дуги или окружности (кольцо Эйнштейна) — примерно так, как может давать блики объектив фотоаппарата или как выглядят многочисленные типы гало вокруг Солнца или Луны при преломлении света кристалликами льда в атмосфере. Особенно много таких объектов известно нам по снимкам с космического телескопа Hubble.
Искажение света массивными объектами с недавнего времени используется и для открытия экзопланет (планет в других звёздных системах, кроме солнечной). Поскольку гравитационные искажения луча света даже от массивной планеты несопоставимы с искажениями от звёзд и тем более галактик, здесь используется специальная модификация этого принципа — гравитационное микролинзирование — исследование каустической фигуры, то есть «бликов» от неидеального «объектива» в виде звезды и её планеты. О совсем недавнем таком открытии планеты в неожиданном направлении Антицентра нашей Галактики мы уже рассказывали. Пока что этим методом открыто около 25 экзопланет из нескольких тысяч. Технологический скачок в точности астрономических наблюдений позволяет надеяться на появление и других модификаций этого метода, рассчитанных на исследование космических объектов самой разной природы.
В качестве фонового источника света, как оказалось, не обязательно использовать яркие светящиеся объекты. Таким естественным источником может выступать и реликтовое микроволновое излучение (Cosmical microwave background, CMB). Это тепловое излучение, заполняющее Вселенную и получившее возможность свободного распространения в пространстве через 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная «остыла» до возможности рекомбинации газа из элементарных заряженных частиц с образованием нейтральных атомов, то есть прозрачной для света среды. По мере расширения Вселенной температура излучения понижалась и в настоящую эпоху (примерно 14 миллиардов лет с образования Вселенной) его температура составляет 2,725 K. Это соответствует микроволновому диапазону спектра (для сравнения: температура Солнца примерно 5700 K, и максимум его излучения приходится на длины волн около 300-600 нанометров, соответствующих диапазону видимого света). «Случайное» открытие реликтового излучения радиоастрономами в 1960-х годах было отмечено Нобелевской премией в 1978 году, а один из первых его исследователей астрофизик Джим Пиблс (Jim Peebles) получил за свои работы Нобелевскую премию на днях, в 2019 году — об этом мы писали более подробно.
Развитие техники измерений привело к фундаментальному открытию — анизотропии реликтового излучения: излучение, приходящее к нам из разных точек, различается по своим свойствам. Так, обнаружены вариации его спектра, а также других характеристик. Эти вариации свойств излучения находятся почти на пределе обнаружения современной техники: так, например, колебания температуры по отношению к его «средней» температуре 3 K составляют миллионные доли градуса. Тем не менее многолетний сбор информации от специально для этой цели запущенных космических телескопов (COBE, WMAP) позволил составить достаточно подробную небесную карту анизотропии излучения. Эта пространственная неоднородность характеристик излучения позволяет получить ответы на фундаментальные вопросы, связанные с формированием звёзд и галактик в ранние эпохи, а также предлагает естественный распределённый по всей Вселенной «источник света» в качестве фонового объекта для исследования удалённых галактик.
Подобно анизотропии спектра (температуры), изучается и его поляризация. Здесь ситуация схожа с известными из курса физики свойствами обычного электромагнитного излучения. Так, в поляризации выделяют E- и B- моды по аналогии со свойствами электрического и магнитного полей. Теория их возникновения и взаимодействия между собой и с космическими объектами достаточно сложна, но необходимо понимать, что находящиеся на пути к наблюдателю (то есть к нашим приборам) гравитационные объекты в космосе вносят искажения во все параметры реликтового излучения. Идея использовать CMB для «опробования» находящихся на его пути галактических кластеров не нова: уже с десяток лет физики используют с этой целью гравитационные искажения спектра реликтового излучения. Недостатком подхода являются серьёзные искажения сигнала из-за «засветки» от находящихся близко к нам объектов, например, нашей собственной Галактики. В этом отношении исследование поляризации излучения по сравнению с исследованием его спектра обещает снизить порог шума: по разным причинам поляризация этого излучения меньше подвержена искажениям на пути, чем спектр. До недавнего времени это направление находилось только в стадии разработки: несколько методик обработки данных по поляризации были предложены разными исследовательскими группами, но пока не опробованы на реальных массивах данных. Плод коллективных усилий сотни астрономов — похоже, первая удачная попытка выделить поляризационный сигнал, искажённый удалённым скоплением галактик и выполнить оценку массы этого скопления независимо, только из данных по поляризации. Для этой работы потребовалось обработать массив данных по 18 000 галактическим скоплениям. Данные получены из двух источников: телескопа в чилийской высокогорной пустыне Атакама, работающего в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне в рамках проекта изучения тёмной энергии DES, по обзору которого были выделены галактические кластеры, и радиотелескопа, работающего прямо на Южном полюсе, на станции Амундсена-Скотта. Его рабочий диапазон и отвечает за регистрирование реликтового микроволнового излучения. Сопоставление двух массивов данных в видимом и микроволновом диапазоне с вычитанием «фоновой», то есть изначальной поляризации реликтового излучения, и позволило выделить паттерн сигнала, обусловленного именно гравитационным искажением поляризации массивными объектами.
Это первое определение массы удалённого космического объекта при помощи исследования рисунка поляризации реликтового излучения. Независимая оценка массы галактического кластера (1014 солнечных масс) этим методом совпадает с оценками массы этого скопления, полученными также при помощи исследования гравитационного линзирования, но более «традиционными» и апробированными методами, то есть наблюдением искажения пути луча («слабое гравитационное линзирование») и спектра реликтового излучения. Это позволяет утверждать, что у астрофизиков появился в распоряжении новый независимый метод определения масс удалённых практически до видимого «края» Вселенной объектов.
