研究人员开发出观测宇宙双折射的新代码

受引力透镜效应和宇宙双折射影响的宇宙微波背景（CMB）偏振光。最左边的白线显示了宇宙早期产生的 CMB 光的偏振模式。由于宇宙双折射的影响，这些光发生了旋转，从而形成了目前观测到的 CMB，即图像右侧的黑线。然而，由于中间的大尺度结构造成了时空的引力扭曲，光的路径发生了弯曲，因此图像右侧显示偏振模式的白线就显示了观测到的情况。图片来源：Naokawa and Namikawa, 10.1103/PhysRevD.108.063525

宇宙有多远？宇宙是何时以及如何开始的？宇宙学在解决这些问题方面取得了进展，为基于基础物理学的宇宙理论模型提供了观测证据。如今，宇宙学标准模型已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。

有引力透镜和没有引力透镜时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。有引力透镜效应和没有引力透镜效应时的差异不容忽视。资料来源：F. Naokawa & T. Namikawa"宇宙双折射的引力透镜效应"，Phys. Rev. D 108, 063525, Copyright (2023) the American Physical Society, 10.1103/PhysRevD.108.063525

宇宙双折射现象

2020 年，宇宙微波背景（CMB）偏振数据报告了一个有趣的新现象--宇宙双折射。偏振描述了光波垂直于其传播方向的振荡。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 数据的重新分析表明，CMB 光的偏振面从宇宙早期发出到今天可能发生了轻微旋转。这种现象违反了奇偶对称性，被称为宇宙双折射。

由于宇宙双折射现象很难用众所周知的物理定律来解释，因此它的背后很有可能隐藏着尚未发现的物理学，比如类轴子粒子（ALPs）。宇宙双折射的发现可能有助于揭示暗物质和暗能量的本质，因此未来的任务重点是对 CMB 进行更精确的观测。

要做到这一点，提高目前理论计算的精确度非常重要，但迄今为止这些计算还不够精确，因为它们没有将引力透镜考虑在内。

由东京大学物理系和早期宇宙研究中心博士生直川文博（Fumihiro Naokawa）以及数据驱动发现中心和卡弗里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）项目助理教授浪川俊哉（Toshiya Namikawa）领导的一对研究人员进行了一项新研究、 建立了包含引力透镜效应的宇宙双折射理论计算，并致力于开发包含引力透镜效应的宇宙双折射数值代码，这对今后的分析是不可或缺的。

智利西蒙斯天文台。资料来源：Debra Kellner

首先，直川和并川推导出了一个分析方程，描述了引力透镜效应如何改变宇宙双折射信号。根据这个方程式，研究人员在现有代码的基础上实施了一个新程序来计算引力透镜校正，然后观察了有引力透镜校正和没有引力透镜校正的信号差异。

结果，研究人员发现，如果忽略引力透镜，观测到的宇宙双折射信号就不能很好地与理论预测拟合，这将在统计学上否定真正的理论。

此外，两人还创建了模拟观测数据，这些数据将在未来的观测中获得，以了解引力透镜在寻找 ALPs 过程中的影响。他们发现，如果不考虑引力透镜效应，根据观测数据估算出的ALPs模型参数在统计学上会出现明显的系统性偏差，不能准确反映ALPs模型。

这项研究中开发的引力透镜校正工具目前已经用于观测研究，Naokawa 和 Namikawa 将继续用它来分析未来任务的数据。

编译来源：ScitechDaily