Merkittävä havainto Etelämantereella

Etelänapakaukoputki.
Kuva Daniel Luong-Van/University
of Chicago.

Chicacon yliopistossa työskentelevän John Carlstrom johtama tutkimusryhmä on tehnyt merkittävän havainnon Etelämnterella sijaitsevalla Etelänapa kaukoputkella (South Pole Telescope). Tutkimusryhmä havaitsi kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä[1] kiertynyttä polarisaatiota eli ns. B-moodia. 

Mikroaaltotaustasäteily on polarisoitunutta, joka johtuu fotonien ja elektronien vuorovaikutuksesta. Ilmiö on siis hieman samanlainen kuin valon sirottuessa (heijastuessa) järven tai auton konepellin pinnasta. Taustasäteilyn polarisaatio havaittiin ensikerran noin kymmenen vuotta sitten. Kyseessä oli kuitenkin ns. E-moodin polarisaatio, joka on helpommin havaittavissa kuin B-moodin polarisaatio.

B-moodin polarisaation syntyminen ei ole aivan yhtä suoraviivainen kuin E-moodin polarisaatio. B-moodi syntyy, kun E-moodin[2] polaroima taustasäteilyn valon reitti taipuu gravitaatiolinssien[3] vaikutuksesta. Polarisaatiokartoituksilla tutkijat kykenevät määrittämään maailmankaikkeuden massajakaumaa, pimeää ainetta jne. 

B-moodin yksi tärkeimmistä tutkimuskohteista on alkuräjähdyksen aikaisen inflaation tutkiminen. Kosminen mikroaaltotaustasäteily sisältää pienen osan tältä kaudelta olevaa B-moodin polarisaation omaava säteilyä. Inflaatiota voidaan tutkia, jos gravitaatiolinssien aikaansaamaa B-moodin polarisaatio on tunnettu ja voidaan poistaa havainnoista. Gravitaatiolinssien aikaansaama B-moodi on siis kohinaa inflaation B-moodin datassa.

B-moodi syntyi inflaation aikana voimakkaiden gravitaatioaaltojen kulkiessa silloisen maailmankaikkeuden läpi. Gravitaatioaallot taivuttivat voimakkaasti aika-avaruutta ja jättivät jälkensä sähkömagneettiseen säteilyyn kiertyneenä polarisaationa. 

Inflaatiokauden B-moodi on toistaiseksi ainoa tapa kerätä tutkimusaineistoa tästä ainutkertaisesta tapahtumasta. Tulosten myötä saadaan tieteellistä näyttöä inflaation olemassa olosta mutta myös siitä, että mikä inflaatiomalli on toimivin ja sopii havaintoihin. Myös korkeiden energiatilojen tieteellinen tutkimus hyötyy havainnoista.

Huomautukset

[1) Kosminen mikroaaltotaustasäteily syntyi noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeuden lämpötila oli laajentumisen seurauksena pudonnut noin 3000 K lämpötilaan. Tällöin elektronit pystyivät asettumaan atomiytimien orbitaaleille, jolloin kaikesta aineesta tuli sähköisesti neutraalia.  Tällöin sähkömagneettinen säteily pääsi leviämään kaikkialle maailmankaikkeuteen. Säteilyn aallonpituus on kasvanut maailmankaikkeuden laajentuessa ja nykyisin voimme havaita tämän saman säteilyn noin 2,7 K lämpötilaisena mikroaaltotaustasäteilynä.

[2] E-moodi syntyy, kun kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn fotonit sirottuvat maailmankaikkeudessa vapaiden elektronien muodostamasta elektronikaasusta. Elektronikaasun tiheys on (luonnollisesti) hyvin pieni, joten polarisaationkin osuus kokonaisvuosta jää suhteellisen vähäiseksi.

[3] Kosmiset gravitaatiolinssit ovat galaksijoukkojen (klustereiden) aikaansaamia aika-avaruuden taipumia, jotka näkyvät valon kulkureitin muuttumisena hieman samaan tapaan kuin se tapahtuu optisessa linssissä. Gravitaatiolinssin ominaisuudet ovat samankaltaisia optisten linssien kanssa, sillä ne voivat kirkastaa vielä kauempana olevan kohteen (yleensä kvasaarin) kuvaa ja usein myös muodostaa useampia kuvia samasta kohteesta.