Was bedeuten die Liniensegmente auf der BICEP2-B-Modus-Polarisationskarte?

Die Verwirrung kommt wahrscheinlich von der Tatsache, dass E- Felder und E- Modi völlig unterschiedlich sind (aber etymologisch ähnlich sind).

Ein Photon trägt eine intrinsische Polarisation. In der klassischen E&M stellen wir uns eine einzelne Lichtwelle als Schwingung elektrischer und magnetischer Felder vor. Im Vakuum sind die Dinge schön einfach, und die Ausbreitungsrichtung, das elektrische Feld$\vec{E}$, und das Magnetfeld$\vec{B}$sind zueinander orthogonal. Sehen Sie sich die Animation von Wikipedia an :

Die Konvention besagt, dass der Polarisationsvektor der Welle in die gleiche Richtung zeigt wie$\vec{E}$. Die Balken in der Karte, die Sie zeigen, sind parallel zu$\vec{E}$- Sie zeigen die Polarisationsrichtung an. Beachten Sie nebenbei, dass es sich nicht um Pfeile handelt, da es keine physikalische Unterscheidung z. B. zwischen "Aufwärts"- und "Abwärts"-Polarisation gibt; das E-Feld schwingt hin und her.

Wenn wir uns jetzt einen Fleck des CMB ansehen, sammeln wir viele Photonen. Man könnte erwarten, dass ihre Polarisationen zufällig sind und sich somit insgesamt aufheben, aber das passiert nicht ganz. So wie es Temperaturschwankungen gibt (einige Regionen des Himmels haben etwas energiereichere CMB-Photonen als andere), gibt es Polarisationsschwankungen. Theorien des frühen Universums geben im Allgemeinen Vorhersagen für Temperatur- und Polarisationsschwankungen (und verschiedene andere Statistiken).

Helmholtz sagt uns, wir können Karten wie die, die Sie haben, nehmen und sie in die Summe der kräuselfreien Teile und divergenzfreien Teile zerlegen. Die kräuselfreien Teile werden in Analogie zur klassischen E & M (wiederum, aber diesmal ohne Photonen) als "E-Moden" bezeichnet, bei denen elektrische Felder keine Kräuselung haben (zumindest wenn sich nichts zeitlich ändert). In ähnlicher Weise werden die divergenzfreien Teile "B-Moden" genannt, da das Magnetfeld in der klassischen E&M keine Divergenz (dh keine Monopole) aufweist.

Eine wichtige Vorhersage von Standard-Inflationsmodellen des frühen Universums ist, dass die meisten Fluktuationen (z. B. Materiedichte) keine B-Modus-Polarisationsfluktuationen verursachen (aber sie können E-Mode-Polarisationsfluktuationen verursachen). Primordiale Gravitationswellen hingegen induzieren beide Polarisationsmodi. Wenn Sie sich also die CMB-Polarisation ansehen und B-Moden sehen, haben Sie Unterstützung für inflationäre Modelle, die Gravitationswellen enthalten. Sie können Eigenschaften des frühen Universums innerhalb eines Modells ableiten, indem Sie feststellen, wie stark diese B-Modus-Komponenten sind.

Was zeigen die Liniensegmente? Sie repräsentieren die Richtung (modulo a sign) des elektrischen Feldes an diesem Punkt im CMB. Die Leitungslänge zeigt übrigens, wie stark die Polarisation ist. Das heißt, es ist nicht so, dass die Photonen zu 100 % mit der gleichen Polarisation ausgerichtet sind; vielmehr weicht die durchschnittliche Polarisation statistisch von 0 ab. Die Länge repräsentiert die Größe dieser Abweichung.

Um etwas genauer zu sein, stellen die Liniensegmente das Ergebnis dar, nachdem das E-Modus-Signal abgezogen wurde, wobei nur die B-Modi übrig bleiben. Die Farben zeigen die Kräuselung des Vektorfelds (na ja, Vektoren modulo that$180^\circ$zuvor erwähnte Symmetrie). Technisch gesehen ist die Kräuselung ein weiteres Vektorfeld, aber da wir nur eine 2D-Oberfläche betrachten, stelle ich mir vor, dass die Farben so gewählt werden, dass sie die Größe der radialen (in der Ebene / außerhalb der Ebene) Komponente der Kräuselung darstellen. Regionen sind rot, wenn sich die Liniensegmente mehr oder weniger im Uhrzeigersinn winden, wenn Sie sich von außen nach innen in Richtung der betreffenden Region bewegen, während blau eine Spirale gegen den Uhrzeigersinn anzeigt. Farben sind dort intensiver, wo dieser Effekt stärker ist, dh die Linien spiralförmig kohärenter ineinander greifen.