Тёмная энергия в виде 3-форм объяснила космическое двулучепреломление

Космическое двулучепреломление — это вращение плоскости поляризации электромагнитных волн по мере их распространения в космосе. Наблюдения реликтового излучения указывают на наличие такого эффекта с углом примерно 0,3 градуса, однако его происхождение до сих пор остаётся неясным. В новой работе на arXiv исследователи рассмотрели в качестве источника этого явления тёмную энергию, представленную полями 3-форм.

3-формы — это антисимметричные тензорные поля, которые в космологии привлекают внимание как кандидаты для описания инфляции и тёмной энергии. Их эволюция на фоне расширяющейся Вселенной похожа на эволюцию скалярного поля, но имеет отличия, а тензорная структура допускает уникальные связи с другими полями, невозможные для обычных скаляров.

В исследовании рассматриваются два варианта связи 3-формы с фотоном: оператор размерности 6 и оператор размерности 4. Оказалось, что для оператора размерности 6 требуется чрезвычайно большая константа связи, чтобы воспроизвести наблюдаемый угол 0,3 градуса, что делает такой сценарий маловероятным. В то же время оператор размерности 4 способен дать нужный угол, но ценой возбуждения продольной моды фотона, что фактически означает появление у фотона эффективной массы.

Авторы выяснили, что требование самосогласованного предела декуплинга приводит к ограничению на массу фотона: она должна лежать в пределах нескольких порядков от современной постоянной Хаббла H0. Это интересное заключение, которое может иметь наблюдаемые следствия.

Для обоих типов связи были получены универсальные профили угла двулучепреломления как функции красного смещения ?(z). Для оператора размерности 4 профиль оказался нечувствительным к виду потенциала 3-формы, но зависит от начальных условий. Оператор размерности 6, напротив, сильно зависит от формы потенциала.

Проведено сравнение с альтернативными моделями: аксионоподобными частицами (ALP) и ультралёгкой массивной 3-формой, эволюция которой согласована с моделью ?CDM до низких красных смещений. Результаты показывают, что двулучепреломление от тёмной энергии в виде 3-форм может как имитировать эффект от ALP, так и отличаться от него, в зависимости от конфигурации поля в ранней Вселенной.

Работа опубликована на сервере препринтов arXiv и предлагает новый взгляд на связь тёмной энергии с эффектами поляризации света. Дальнейшие наблюдения космического микроволнового фона могут помочь различить эти сценарии.