Mikrofalowe promieniowanie tła (ang. CMB) zawiera kluczowe informacje o wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. W najnowszej pracy astrofizycy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) zbadali, w jaki sposób promieniowanie mikrofalowe pochodzące z naszej Galaktyki oraz soczewkowanie grawitacyjne zniekształcają sygnał CMB. Przeanalizowali również, jakie metody mogą wykorzystać przyszłe eksperymenty badające mikrofalowe promieniowanie tła, aby uzyskać silniejsze ograniczenia na amplitudę pierwotnych fal grawitacyjnych.

Mikrofalowe promieniowanie tła jest pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Wypełnia ono całą przestrzeń kosmiczną, a jego drobne niejednorodności niosą informacje o oddziaływaniach materii zachodzących tuż po Wielkim Wybuchu. CMB stanowi dla naukowców jedno z najcenniejszych źródeł wiedzy o początkach formowania się wielkoskalowych struktur we Wszechświecie. Aby jednak właściwie zrozumieć procesy zachodzące w tym okresie, niezbędne są niezwykle precyzyjne pomiary mikrofalowego promieniowania tła. Z biegiem lat kolejne eksperymenty dostarczały coraz dokładniejszego obrazu niejednorodności CMB, jednak jednocześnie ujawniały nowe efekty mogące zniekształcać obserwowany sygnał.

Jednym z głównych obszarów zainteresowania naukowców są pierwotne fale grawitacyjne, których istnienie we wczesnym Wszechświecie przewidują modele inflacyjne. Fale te powinny pozostawić charakterystyczny ślad w polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła w postaci tzw. modów B, odpowiadających wirowej składowej pola polaryzacji. Ich wykrycie stanowiłoby pośrednie potwierdzenie fazy gwałtownej ekspansji we wczesnym Wszechświecie, dlatego poszukiwanie modów B jest jednym z głównych celów obecnych i przyszłych eksperymentów badających CMB.

Wykrycie śladów pierwotnych fal grawitacyjnych utrudniają jednak inne zjawiska. Jednym z nich jest soczewkowanie grawitacyjne, które powstaje wskutek zakrzywienia torów fotonów CMB przez masywne obiekty we Wszechświecie. W efekcie obserwowana polaryzacja mikrofalowego promieniowania tła również zawiera mody B. Dodatkowym źródłem zanieczyszczeń sygnału jest spolaryzowane promieniowanie emitowane przez naszą galaktykę, które utrudnia rekonstrukcję map mikrofalowego promieniowania tła. Z tego powodu prowadzone są liczne badania mające na celu precyzyjne określenie wpływu tych zjawisk na obserwowany sygnał mikrofalowego promieniowania tła. Takie badania prowadzą również naukowcy z Zakładu Astrofizyki NCBJ.

W niedawno opublikowanym artykule astrofizycy zbadali, w jaki sposób promieniowanie emitowane przez naszą galaktykę zniekształca wyniki algorytmów wykorzystywanych do usuwania efektu soczewkowania grawitacyjnego z map mikrofalowego promieniowania tła. – W naszej pracy przeanalizowaliśmy różne modele emisji galaktycznej. Wyniki pokazały, że dla zachowania poprawności rekonstrukcji sygnału kluczowe jest skuteczne usunięcie promieniowania pochodzącego z naszej galaktyki z analizowanych map – wyjaśnia Kishan Deka, doktorant z Zakładu Astrofizyki NCBJ i pierwszy autor badań. Symulacje przeprowadzone w ramach badań pokazały również, jak duże znaczenie dla przyszłych eksperymentów badających CMB ma przyjęty model złożoności emisji galaktycznej.

Badania prowadzone przez astrofizyków otwierają drogę do opracowania nowych algorytmów, które pozwolą skuteczniej usuwać niepożądane zanieczyszczenia z map mikrofalowego promieniowania tła. Będzie to głównym celem kolejnego etapu prac. Dzięki udoskonalonym metodom przyszłe eksperymenty badające CMB będą mogły dostarczyć danych o niespotykanej dotąd precyzji. To z kolei może doprowadzić do przełomowych odkryć i znacząco poszerzyć naszą wiedzę o najwcześniejszych etapach ewolucji Wszechświata.

Wyniki badań są dostępne w publikacji: K. Deka, P. Bielewicz, Galactic foreground residue biases in cosmic-microwave-background lensing-convergence reconstruction and delensing of B-mode maps, A&A, 708, A188 (2026), DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557977