Pesquisadores que investigam um misterioso fenômeno cósmico chamado birrefringência cósmica criaram uma nova abordagem para reduzir a incerteza na forma como ele é medido. Avanço, relatado v Revisão de planilhas físicaspode melhorar a precisão das observações que investigam a física fundamental.
O estudo é o primeiro a quantificar a incerteza do ângulo de birrefringência. Esta medição é importante porque pode fornecer pistas sobre teorias físicas desconhecidas que quebram a simetria esquerda-direita do universo. Também poderia ajudar os cientistas a compreender melhor a matéria escura e a energia escura.
Uma reviravolta sutil na luz mais antiga do universo
A radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é o tênue brilho remanescente após o Big Bang, contém informações valiosas sobre o universo primitivo. Observações recentes sugerem que a polarização desta luz antiga pode sofrer uma ligeira rotação. Este efeito é conhecido como birrefringência cósmica.
Os cientistas suspeitam que esta rotação sutil pode ser devida a hipotéticas partículas elementares chamadas áxions. Portanto, uma determinação precisa da quantidade de torção, conhecida como ângulo de birrefringência, é essencial para testar possíveis novas físicas. Os pesquisadores medem esse ângulo analisando a força de um sinal chamado correlação CMB EB. Estudos anteriores estimaram o ângulo de rotação em cerca de 0,3 graus.
Um estudo da incerteza de medição
A equipe de pesquisa foi liderada por Fumihiro Naokawa, Ph.D., da Escola de Pós-Graduação da Universidade de Tóquio, que colaborou com o professor assistente do projeto Toshiya Namikawa do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU, WPI). A sua análise examinou as incertezas que afetam as medições da birrefringência cósmica.
Seus resultados sugerem que o ângulo de torção pode, na verdade, ser maior do que o relatado anteriormente, em cerca de 0,3 graus.
“Você consegue dizer que dia é só olhando para o relógio? Não, você não pode. Para determinar a data pelos ponteiros de um relógio, você precisa saber quantas vezes os ponteiros giraram a partir de uma determinada data e hora. Na linguagem científica, uma situação como a dos ponteiros deste relógio, em que a observação apenas do estado atual não revela quantas rotações ocorreram no passado, é descrita como tendo ambiguidade de fase de 360 graus.
“Como um relógio, o CMB que podemos observar está apenas em seu estado atual. Portanto, ângulos de rotação como 0,3 graus, 180,3 graus e 360,3 graus devem ser indistinguíveis. Isso significa que o ângulo de birrefringência tem uma ambiguidade de fase de 180 graus, “disse Naokawa.
Resolvendo o problema de ambiguidade de fase
Para resolver este problema, os pesquisadores desenvolveram uma técnica de resolução de ambigüidades. Eles descobriram que a forma detalhada do sinal de correlação EB continha pistas sobre quantas vezes a direção da polarização poderia ter mudado.
Ao analisar essas características sutis do sinal de correlação EB, os cientistas serão capazes de determinar o verdadeiro ângulo de rotação e eliminar a ambiguidade.
Melhorando futuros experimentos cosmológicos
O novo método fornece uma ferramenta para analisar futuras observações de alta precisão da birrefringência cósmica. Experimentos futuros, incluindo os do Observatório Simons e do LiteBIRD, podem usar este método para testar novos modelos teóricos da física fundamental.
A equipe também descobriu que, ao levar em conta esta incerteza de fase, a birrefringência cósmica afeta outro sinal na radiação cósmica de fundo conhecido como correlação EE. Os cientistas usam a correlação EE para estimar a “profundidade óptica” do universo, uma quantidade importante para o estudo da reionização cósmica. Devido a esta conexão, as novas descobertas podem exigir que os pesquisadores reconsiderem as medições de profundidade óptica relatadas anteriormente.
Uma nova maneira de confirmar a birrefringência cósmica
Em um estudo separado também publicado em Revisão de planilhas físicasNaokawa estudou maneiras de reduzir os erros que os telescópios introduzem ao medir a birrefringência cósmica. Ele propôs um método para confirmar o efeito observando certas fontes astronômicas, incluindo rádio-galáxias alimentadas por buracos negros supermassivos.
Estas observações podem ser outra forma de testar a birrefringência cósmica e podem ajudar os cientistas a desbloquear uma compreensão mais profunda da natureza da energia escura.
