Cosmic birefringence from a stiff axion field and its cosmological implications

Licht dat door de enorme leegte van de ruimte reist, is niet louter een rechte straal; het draagt een verborgen oriëntatie met zich mee, een polarisatie die in een specifieke richting wijst. Stel je dit licht voor als een golf die op één vlak trilt, zoals een touw dat op en neer wordt geschud. Decennialang hebben astronomen het oudste licht in het universum bestudeerd, de kosmische achtergrondstraling, een zwakke nagloed van het moment waarop het universum transparant werd. Wanneer dit oude licht ons bereikt, kan het polarisatievlak worden gedraaid door onzichtbare velden die het kosmos doordringen. Deze rotatie, bekend als kosmische biferengentie, werkt als een kosmische kompasnaald die langzaam is gedraaid door de geschiedenis van het universum. Recente metingen van krachtige telescopen hebben een kleine maar significante draai in dit licht gedetecteerd, wat suggereert dat iets onzichtbaars interageert met fotonen terwijl ze miljarden jaren afleggen. De vraag die de huidige wetenschap drijft, is wat deze onzichtbare kracht zou kunnen zijn. Is het een vorm van donkere energie die het universum uit elkaar duwt, of misschien een type donkere materie dat samenklontert? Of zou het iets geheel anders zijn, een overblijfsel uit een tijd voordat het universum in zijn huidige ritme terechtkwam?

Een team onderzoekers van de Universiteit van Turijn en het Italiaanse Nationaal Instituut voor Nucleaire Fysica heeft een nieuw antwoord op dit raadsel voorgesteld. Zij suggereren dat de waargenomen rotatie van het licht wordt veroorzaakt door een specif kind type onzichtbaar veld dat zich anders gedraagt dan de donkere materie en donkere energie waar we gewoonlijk over spreken. Dit veld wordt beschreven als "stijf" (stiff), wat betekent dat het een uniek soort druk uitoefent waardoor de energiedichtheid snel verandert naarmate het universum uitdijt. In het zeer vroege universum zou dit stijve veld alles gedomineerd hebben, wat leidde tot een fase van snelle expansie bekend als kinetie (kination), voordat het vervaagde om een minder belangrijke component van het kosmos te worden vandaag de dag. De onderzoekers berekenden dat als dit veld bestaat, het zou interageren met licht op een manier die perfect overeenkomt met de rotatiehoek die door recente experimenten is gemeten, specifiek de gegevens van de Planck-satelliet en de Atacama Cosmology Telescope.

De schoonheid van dit model ligt in de testbaarheid ervan en het vermogen om andere mogelijkheden uit te sluiten. De onderzoekers ontdekten dat voor dit stijve veld om de geobserveerde lichtrotatie te verklaren zonder de wetten van de fysica zoals wij die kennen te schenden, de interactie met licht binnen een zeer nauwe marge moet vallen. Als de interactie te zwak was, zou het het licht niet genoeg draaien om met de gegevens overeen te komen. Als het te sterk was, zou het de vorming van de eerste atoomkernen in het vroege universum hebben verstoord, een proces dat bekend staat als Big Bang Nucleosynthese, dat we vandaag de dag kunnen waarnemen door de overvloed aan elementen zoals helium. Door deze beperkingen in balans te brengen, identificeerde het team een specifiek venster voor de sterkte van deze interactie, ongeveer tussen 8,9 en 50 keer tien tot de macht van negat dertien inverse gigaelektronvolt. Deze nauwe marge biedt een duidelijk doelwit voor toekomstige experimenten die zoeken naar axion-achtige deeltjes, hypothetische deeltjes die dit veld zouden kunnen vormen.

Bovendien maakt dit model een duidelijke voorspelling die het onderscheidt van andere theorieën. Terwijl sommige verklaringen suggereren dat het rotatie-effect vergelijkbaar zou zijn op verschillende tijdstippen in de geschiedenis van het universum, voorspelt dit stijve veldmodel dat de rotatiehoek voor licht uitgezonden tijdens het tijdperk van reïonisatie — wanneer de eerste sterren aangingen — aanzienlijk kleiner zou zijn dan de rotatie gezien bij het oudste licht. Als toekomstige observaties bevestigen dat de rotatiehoek bij deze eerdere tijdstippen afneemt, zou dit het stijve veldmodel sterk bevoordelen boven theorieën die betrokken zijn bij donkere energie. De onderzoekers verkenden ook de gravitationele consequenties van dit scenario. Ze vonden dat de overgang van het vroege stijve-veld-tijdperk naar het standaard stralings-tijdperk rimpelingen in de ruimtetijd zou genereren, bekend als zwaartekrachtgolven. Afhankelijk van de exacte duur van deze vroege fase, zouden deze golven detecteerbaar zijn door toekomstige observatoria, wat een tweede, onafhankelijke manier biedt om de theorie te bevestigen.

Echter, de studie werpt ook twijfel op een populair idee met betrekking aan de recente detectie van een achtergrond van zwaartekrachtgolven door pulsar-timingarrays. Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat deze laagfrequente rimpelingen zouden kunnen worden veroorzaakt door hetzelfde soort fysica uit het vroege universum dat de lichtrotatie creëert. De auteurs van dit artikel hebben dat idee getest en vonden het onwaarschijnlijk. Ze toonden aan dat als de zwaartekrachtgolven sterk genoeg zouden zijn om de pulsar-gegevens te verklaren, de bijbehorende energiedichtheid te hoog zou zijn, wat de limieten op het aantal neutrino-soorten in het universum zou schenden. Met andere woorden: het universum kan noch de geobserveerde lichtrotatie, noch het pulsar-zwaartekrachtgolfsignaal accommoderen als beide worden veroorzaakt door dit specifieke type vroege stijve-velddominantie. Dit sluit effectief een verenigde verklaring voor beide fenomenen onder dit specifieke model uit.

Het werk concludeert door een beeld te schetsen van een universum dat een korte, intense periode van stijve-velddominantie heeft doorlopen voordat het zich vestigde in de stralings- en materie-tijdperken die wij kennen. Deze vluchtige epoche liet een subtiele vingerafdruk achter op de polarisatie van het oude licht en potentieel een zwakke brom van zwaartekrachtgolven. De onderzoekers hebben niet bewezen dat dit stijve veld bestaat, maar ze hebben precies in kaart gebracht waar men naar moet zoeken. Ze hebben de precieze sterkte van de interactie met licht gedefinieerd en voorspeld hoe de signatuur zou veranderen over verschillende kosmische tijdperken. Naarmate nieuwe telescopen in gebruik worden genomen en astrofysische zoektochten naar axion-achtige deeltjes doorgaan, zal dit nauwe venster van mogelijkheid worden getest. Als de interactiekracht binnen het voorspelde bereik valt en de rotatiehoek zich gedraagt zoals verwacht, zou dit een nieuw hoofdstuk in de geschiedenis van het kosmos onthullen, een hoofdstuk waarin een stijf, onzichtbaar veld ooit het universum regeerde voordat het vervaagde naar de achtergrond van de donkere sector.