Lumière polarisée par le fond cosmique micro-ondes (CMB) soumise à des effets de lentille gravitationnelle, en plus de la biréfringence cosmique. À l’extrême gauche, les lignes blanches montrent le modèle de polarisation de la lumière CMB générée dans l’univers primitif. Ceux-ci tournent en raison de la biréfringence cosmique, ce qui donne le CMB actuellement observé, représenté par les lignes noires sur le côté droit de l’image. Cependant, le trajet de la lumière est courbé par la distorsion gravitationnelle de l’espace-temps créée par la structure à grande échelle au milieu, et ainsi les lignes blanches montrant le motif de polarisation sur le côté droit de l’image montrent ce qui est observé. Crédit : Naokawa et Namikawa, 10.1103/PhysRevD.108.063525
Les futures missions seront en mesure de détecter plus précisément les signes de violation de la parité-symétrie dans la polarisation du fond diffus cosmologique, grâce aux efforts de deux chercheurs qui ont étudié l’impact de la lentille gravitationnelle. Cette avancée est soulignée dans une étude récente publiée dans Examen physique D et a été choisi comme suggestion des éditeurs.
Jusqu’où s’étend l’univers ? Quand et comment l’univers a-t-il commencé ? La cosmologie a progressé dans la résolution de ces questions en fournissant des preuves observationnelles pour des modèles théoriques de l’univers basés sur la physique fondamentale. Le modèle standard de cosmologie est aujourd’hui largement accepté par les chercheurs. Cependant, elle ne parvient toujours pas à expliquer les questions fondamentales de la cosmologie, notamment la matière noire et l’énergie noire.
La différence dans le signal de biréfringence cosmique avec et sans lentille gravitationnelle. Les points bleus montrent les signaux lorsque l’effet de lentille gravitationnelle est ignoré, et les points rouges sont les signaux lorsque l’effet de lentille gravitationnelle est pris en compte. Les barres d’erreur rouges montrent les erreurs d’observation attendues lorsque l’Observatoire Simons sera utilisé. La différence avec et sans lentille gravitationnelle n’est pas négligeable. Crédit : F. Naokawa & T. Namikawa « Effet de lentille gravitationnelle sur la biréfringence cosmique », Phys. Rev. D 108, 063525, Copyright (2023) American Physical Society, 10.1103/PhysRevD.108.063525
Le phénomène de biréfringence cosmique
En 2020, un nouveau phénomène intéressant appelé biréfringence cosmique a été signalé à partir des données de polarisation du fond diffus cosmologique (CMB). La polarisation décrit les ondes lumineuses oscillant perpendiculairement à la direction dans laquelle elles se déplacent. En général, la direction du plan de polarisation reste constante mais peut subir une rotation dans des circonstances particulières. Une nouvelle analyse des données CMB a montré que le plan de polarisation de la lumière CMB pourrait avoir légèrement tourné entre le moment où elle a été émise dans l’univers primitif et aujourd’hui. Ce phénomène viole la symétrie de parité et est appelé biréfringence cosmique.
Parce que la biréfringence cosmique est difficile à expliquer avec les lois physiques bien connues, il existe une forte possibilité que des phénomènes physiques encore à découvrir, tels que les particules axioniques (ALP), se cachent derrière elle. Une découverte de la biréfringence cosmique pourrait ouvrir la voie à la révélation de la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Les futures missions se concentreront donc sur des observations plus précises du CMB.
Intégration de la lentille gravitationnelle dans les calculs théoriques
Pour ce faire, il est important d’améliorer précision des calculs théoriques actuels, mais ces calculs jusqu’à présent n’ont pas été suffisamment précis car ils ne prennent pas en compte la lentille gravitationnelle.
Une nouvelle étude menée par deux chercheurs, dirigée par le doctorant du Département de physique et du Centre de recherche sur l’univers précoce de l’Université de Tokyo, Fumihiro Naokawa, et le Centre de découverte basée sur les données et l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU ) Le professeur adjoint du projet Toshiya Namikawa a établi un calcul théorique de la biréfringence cosmique intégrant les effets de lentille gravitationnelle et a travaillé au développement d’un code numérique pour la biréfringence cosmique incluant les effets de lentille gravitationnelle, qui sera indispensable pour les analyses futures.
Observatoire Simons au Chili. Crédit : Debra Kellner
Premièrement, Naokawa et Namikawa ont dérivé une équation analytique décrivant comment l’effet de lentille gravitationnelle modifie le signal de biréfringence cosmique. Sur la base de l’équation, les chercheurs ont mis en œuvre un nouveau programme sur un code existant pour calculer la correction de la lentille gravitationnelle, puis ont examiné la différence de signaux avec et sans la correction de la lentille gravitationnelle.
En conséquence, les chercheurs ont découvert que si la lentille gravitationnelle est ignorée, le signal de biréfringence cosmique observé ne peut pas être bien ajusté par la prédiction théorique, ce qui rejetterait statistiquement la véritable théorie.
De plus, les deux hommes ont créé des données d’observation simulées qui seront obtenues lors d’observations futures pour voir l’effet de la lentille gravitationnelle dans la recherche d’ALP. Ils ont constaté que si l’effet de lentille gravitationnelle n’était pas pris en compte, il y aurait des biais systématiques statistiquement significatifs dans les paramètres du modèle des ALP estimés à partir des données observées, qui ne refléteraient pas avec précision le modèle des ALP.
L’outil de correction de lentille gravitationnelle développé dans cette étude est déjà utilisé aujourd’hui dans des études d’observation, et Naokawa et Namikawa continueront de l’utiliser pour analyser les données des futures missions.
