خلفية الميكروويف الكونية: بقايا الانفجار الكبير

Send

تظهر صورة إشعاع الخلفية الكونية للميكروويف ، الذي التقطه القمر الصناعي بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) في عام 2013 ، الاختلافات الصغيرة عبر السماء

(الصورة: © ESA / Planck Collaboration)

يعتقد أن الخلفية الكونية للميكروويف (CMB) هي إشعاعات متبقية من الانفجار الكبير ، أو الوقت الذي بدأ فيه الكون. كما تقول النظرية ، عندما ولد الكون خضع لتضخم وتوسع سريعين. (الكون لا يزال يتوسع اليوم ، ويظهر معدل التمدد مختلفًا اعتمادًا على المكان الذي تنظر إليه). يمثل CMB الحرارة المتبقية من الانفجار الكبير.

لا يمكنك رؤية CMB بعينك المجردة ، لكنها موجودة في كل مكان في الكون. إنه غير مرئي للبشر لأنه بارد جدًا ، فقط 2.725 درجة فوق الصفر المطلق (ناقص 459.67 درجة فهرنهايت ، أو ناقص 273.15 درجة مئوية). وهذا يعني أن إشعاعه أكثر وضوحًا في جزء الميكروويف من الطيف الكهرومغناطيسي.

الأصول والاكتشاف

بدأ الكون قبل 13.8 مليار سنة ، ويعود CMB إلى حوالي 400000 سنة بعد الانفجار العظيم. ذلك لأنه في المراحل الأولى من الكون ، عندما كان حجمه اليوم مائة مليون فقط ، كانت درجة حرارته شديدة: 273 مليون درجة في الاعلى الصفر المطلق ، وفقًا لوكالة ناسا.

تم كسر أي ذرات موجودة في ذلك الوقت بسرعة إلى جزيئات صغيرة (البروتونات والإلكترونات). الإشعاع الصادر عن الإشعاع CMB في الفوتونات (جسيمات تمثل كميات من الضوء ، أو إشعاع آخر) مشتتة من الإلكترونات. وكتبت وكالة ناسا "هكذا تجولت الفوتونات عبر الكون المبكر مثلما يتجول الضوء البصري عبر ضباب كثيف".

بعد حوالي 380،000 سنة من الانفجار العظيم ، كان الكون باردًا بما يكفي لتكوين الهيدروجين. لأن فوتونات CMB بالكاد تتأثر بضرب الهيدروجين ، تنتقل الفوتونات في خطوط مستقيمة. يشير علماء الكون إلى "سطح التشتت الأخير" عندما ضربت فوتونات الإشعاع CMB المادة. بعد ذلك ، كان الكون كبيرًا جدًا. لذلك عندما نرسم خريطة الإشعاع CMB ، فإننا ننظر إلى الوراء في الوقت المناسب إلى 380،000 سنة بعد الانفجار العظيم ، بعد أن كان الكون معتمًا للإشعاع.

تنبأ عالم الكونيات الأمريكي رالف أبهر لأول مرة CMB في عام 1948 ، عندما كان يعمل مع روبرت هيرمان وجورج جامو ، وفقًا لوكالة ناسا. كان الفريق يجري بحثًا متعلقًا بتركيب نوى بيغ بانغ ، أو إنتاج عناصر في الكون إلى جانب أخف نظائر (نوع) الهيدروجين. تم إنشاء هذا النوع من الهيدروجين في وقت مبكر جدًا من تاريخ الكون.

ولكن تم العثور على CMB عن طريق الصدفة. في عام 1965 ، قام باحثان من معامل بيل للهواتف (أرنو بنزيا وروبرت ويلسون) بإنشاء جهاز استقبال لاسلكي ، وكانوا في حيرة بسبب الضوضاء التي كانت تلتقطها. وسرعان ما أدركوا أن الضوضاء تأتي بشكل موحد من جميع أنحاء السماء. في الوقت نفسه ، كان فريق في جامعة برينستون (بقيادة روبرت ديكي) يحاول العثور على CMB. حصل فريق ديكي على ريح تجربة بيل وأدرك أن CMB قد تم العثور عليه.

نشر كلا الفريقين بسرعة أوراقًا في مجلة Astrophysical Journal في عام 1965 ، حيث تحدث Penzias و Wilson عن ما رأوه ، وشرح فريق Dicke ما يعنيه في سياق الكون. (في وقت لاحق ، حصل كل من بنزيا وويلسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978).

الدراسة بمزيد من التفصيل

CMB مفيد للعلماء لأنه يساعدنا على معرفة كيفية تكوين الكون المبكر. إنها في درجة حرارة موحدة مع تقلبات صغيرة فقط مرئية مع تلسكوبات دقيقة. وكتبت وكالة ناسا "من خلال دراسة هذه التقلبات ، يمكن لعلماء الكونيات التعرف على أصل المجرات والهياكل واسعة النطاق للمجرات ويمكنهم قياس المعايير الأساسية لنظرية الانفجار العظيم".

في حين تم رسم أجزاء من CMB في العقود التي تلت اكتشافها ، جاءت أول خريطة فضائية كاملة من الفضاء من مهمة مستكشف الخلفية الكونية (COBE) التابعة لناسا ، والتي تم إطلاقها في عام 1989 وتوقفت عمليات العلوم في عام 1993. هذه "صورة طفل "للكون ، كما تطلق عليه وكالة ناسا ، أكدت تنبؤات نظرية الانفجار الكبير وأظهرت أيضًا تلميحات عن البنية الكونية التي لم نرها من قبل. في عام 2006 ، تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعلماء COBE جون ماثر في مركز ناسا جودارد لرحلات الفضاء وجورج سموت في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.

جاءت خريطة أكثر تفصيلاً في عام 2003 بإذن من مسبار ويلكينسون للميكروويف المتغاير (WMAP) ، الذي تم إطلاقه في يونيو 2001 وتوقف عن جمع البيانات العلمية في عام 2010. أول صورة ربطت عمر الكون بـ 13.7 مليار سنة (قياس منذ صقله إلى 13.8 مليار سنوات) وكشفت أيضًا عن مفاجأة: بدأ أقدم النجوم يتألق بعد حوالي 200 مليون سنة من الانفجار العظيم ، في وقت أبكر بكثير مما كان متوقعًا.

تابع العلماء هذه النتائج من خلال دراسة مراحل التضخم المبكرة جدًا للكون (في تريليون ثانية بعد التكوين) ومن خلال إعطاء معلمات أكثر دقة حول كثافة الذرة ، وكتلة الكون وخصائص أخرى للكون بعد وقت قصير من تشكله. كما رأوا تباينًا غريبًا في متوسط درجات الحرارة في نصفي الكرة الأرضية ، و "بقعة باردة" أكبر من المتوقع. حصل فريق WMAP على جائزة الاختراق في الفيزياء الأساسية لعام 2018 لعملهم.

في عام 2013 ، تم إصدار بيانات من تلسكوب بلانك الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، والتي تظهر أعلى صورة دقيقة لـ CMB حتى الآن. اكتشف العلماء لغزًا آخر بهذه المعلومات: التقلبات في CMB بمقاييس زاوية كبيرة لم تتطابق مع التوقعات. وأكد Planck أيضًا ما شاهدته WMAP من حيث عدم التماثل والبقع الباردة. أظهر إصدار بيانات بلانك النهائي في عام 2018 (تم تشغيل المهمة بين عامي 2009 و 2013) دليلاً أكثر على أن المادة المظلمة والطاقة المظلمة - القوى الغامضة التي يحتمل أن تكون وراء تسارع الكون - موجودة بالفعل.

حاولت جهود بحثية أخرى النظر في جوانب مختلفة من الإشعاع CMB. أحدهما هو تحديد أنواع الاستقطاب التي تسمى الأوضاع الإلكترونية (تم اكتشافها بواسطة مقياس التداخل ذي المقياس الزاوي في أنتاركتيكا في عام 2002) والأنماط ب. يمكن إنتاج أوضاع B من عدسة الجاذبية للأنماط الإلكترونية (تمت رؤية هذه العدسة لأول مرة بواسطة تلسكوب القطب الجنوبي في عام 2013) وموجات الجاذبية (التي تم رصدها لأول مرة في عام 2016 باستخدام مرصد الموجات التداخلية بالليزر المتقدم ، أو LIGO). في عام 2014 ، قيل أن أداة BICEP2 المستندة إلى القطب الجنوبي وجدت أنماط جاذبية الموجة B ، ولكن المزيد من الملاحظة (بما في ذلك العمل من بلانك) أظهرت أن هذه النتائج كانت بسبب الغبار الكوني.

حتى منتصف عام 2018 ، لا يزال العلماء يبحثون عن الإشارة التي أظهرت فترة وجيزة من التوسع السريع للكون بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. في ذلك الوقت ، كان الكون يكبر بمعدل أسرع من سرعة الضوء. إذا حدث ذلك ، يشتبه الباحثون في أن هذا يجب أن يكون مرئيًا في الإشعاع CMB من خلال شكل من أشكال الاستقطاب. اقترحت دراسة في ذلك العام أن توهجًا من الماس النانوي يخلق ضوءًا باهتًا ، لكن يمكن تمييزه ، يتداخل مع الملاحظات الكونية. قال مؤلفو الدراسة في ذلك الوقت ، بعد أن تم حساب هذا التوهج ، يمكن أن تزيله التحقيقات المستقبلية للبحث بشكل أفضل عن الاستقطاب الخافت في الإشعاع CMB.

مورد إضافي