La radiación de fondo de microondas (CMB) es una luz antigua que guarda información sobre el universo temprano. Si su polarización está rotada por un ángulo diminuto, podría ser un rastro de nuevas partículas, como los axiones. Sin embargo, la rotación de la polarización debida a un efecto cósmico es indistinguible de un error en el ángulo de montaje de los detectores del telescopio. El método existente de Minami–Komatsu utiliza la polarización del polvo en nuestra galaxia para separar estas dos contribuciones, pero el resultado depende del modelo de ese polvo. Este trabajo añade una verificación independiente que no utiliza ese modelo y la aplica por primera vez a datos reales de Planck.
Los autores utilizan ocho mapas de polarización de diferentes conjuntos de detectores del telescopio Planck a frecuencias de 100, 143, 217 y 353 GHz. Para cada par de mapas, construyen dos combinaciones de espectros: una simétrica y una antisimétrica. La razón de estas combinaciones da la diferencia de ángulos entre los detectores, mientras que la rotación cósmica común se cancela por completo. Luego, todas las diferencias por pares se combinan en una red donde los mapas son nodos y las diferencias de ángulos son enlaces. La red se resuelve mediante mínimos cuadrados, teniendo en cuenta las correlaciones entre pares que comparten mapas. El patrón de ángulos resultante se compara con el resultado del método de Minami–Komatsu.
La comparación de 28 pares de detectores mostró que los ángulos obtenidos por el método diferencial y los del método de Minami–Komatsu concuerdan: la estadística chi-cuadrado es 8.18 con siete grados de libertad (probabilidad 0.32). Todas las desviaciones son menores que 1.8 sigma. Esto significa que el patrón de calibración dependiente del detector que produce el modelo de primer plano también se reproduce con un método que no utiliza ese modelo. Sin embargo, esto no es una medición independiente del valor absoluto de la rotación cósmica, ya que ambos métodos usan los mismos mapas del cielo.
El trabajo muestra que la calibración de los ángulos de los detectores de Planck, obtenida a partir del modelo de polvo galáctico, no es un artefacto de ese modelo. El patrón de ángulos en sí se confirma de manera independiente, basándose solo en las propiedades de polarización de la propia radiación de fondo. Esto refuerza la confianza en el valor medido de la birrefringencia cósmica, que es de aproximadamente 0.37 grados. El método puede aplicarse como una verificación adicional para futuros experimentos, como Simons Observatory y LiteBIRD.
La prueba diferencial se puede utilizar en futuros experimentos de medición de polarización de la radiación de fondo. No requiere nuevas observaciones y puede acompañar cualquier análisis basado en un modelo de primer plano. Para obtener el valor absoluto de la rotación cósmica, se necesitará un calibrador externo con una precisión mejor que 0.1 grados, que aún no existe para Planck. En el futuro, ese calibrador podría provenir de una fuente especial o de un telescopio superpuesto.
El método influirá en el análisis de datos de experimentos actuales y futuros sobre la polarización de la radiación de fondo, como BICEP/Keck, SPT-3G, Simons Observatory y LiteBIRD. También puede ser útil para calibrar ángulos en otros instrumentos astronómicos donde la orientación precisa de la polarización sea importante.
El siguiente paso es verificar la matriz de covarianza analítica y la aproximación de primer plano separable mediante simulaciones completas que incluyan espectros de polvo espacialmente variables y la decorrelación de frecuencias. También es necesario desarrollar calibradores externos con precisión mejor que 0.1 grados para la medición absoluta de la birrefringencia cósmica.
El trabajo se relaciona con un problema fundamental en cosmología observacional: cómo distinguir una señal cósmica de errores sistemáticos del instrumento. Propone una nueva forma de verificar la calibración de polarización que no depende del modelo de primer plano galáctico. Esto es importante para una medición fiable de la birrefringencia cósmica y, en un sentido más amplio, para la búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar.
El ángulo de birrefringencia cósmica que buscan los científicos es de solo unos 0.3 grados, aproximadamente el ángulo bajo el que se ve la uña del meñique a la distancia de un brazo extendido. Además, la precisión de calibración de los detectores debe ser mejor que 0.1 grados para medirlo de manera fiable.