بداية عصر علم الكونيات الدقيق

دخل القمر الصناعي MAP مؤخرًا إلى مدار سيقيس منه إشعاع الخلفية الكونية - وهو المفتاح لتحديد القيم الأساسية للكون

بواسطة: يوئيل رافائيلي

وأطلقت وكالات الفضاء الأمريكية (ناسا) والأوروبية واليابانية حتى الآن العديد من الأقمار الصناعية البحثية لقياس الإشعاع الصادر من الكواكب والنجوم والمجرات، وذلك من أجل تعميق المعرفة بالأجرام السماوية. في 30 يونيو 2001، أطلقت ناسا قمرًا صناعيًا ثانيًا لدراسة إشعاع الخلفية الكونية. مسبار تباين الموجات الميكروية إن الغرض من هذا الإطلاق عظيم بشكل خاص: الجودة العالية لقياسات MAP يجب أن تتيح تحديدًا دقيقًا للغاية لطبيعة الكون وحجمه وعمره وتركيبة المواد والطاقة. وبعدها سيتم حل الألغاز الكونية العظيمة وسيبدأ عصر علم الكونيات الدقيق.

إن إشعاع الخلفية الكونية الموجود في نطاق تردد الموجات الميكروية هو بقايا باردة من الماضي الناري للكون. فالإشعاع هو الركيزة الأساسية التي يقوم عليها النموذج المقبول في نظرية الكون وهو نموذج الانفجار الكبير. ووفقا لهذا النموذج، كان الكون البدائي كثيفا للغاية وساخنا بحيث كانت المادة والإشعاع الموجود فيه في حالة فيزيائية تعرف باسم التوازن الديناميكي الحراري. في هذه الحالة، يتم تحديد مجال الإشعاع، الذي يمكن وصفه باعتماد شدة الإشعاع على تردد الموجة (أي المدى)، بشكل كامل من خلال تطابق درجة حرارة المادة والإشعاع. يكون للمدى بعد ذلك شكل عالمي (يُعرف تقنيًا باسم منحنى بلانك "للجسم الأسود"). والحقيقة المثيرة للاهتمام هي أن هذا الشكل لا يتغير حتى عندما يصبح الكون المتوسع رقيقًا وباردًا، ولم يعد في حالة توازن. علاوة على ذلك، ووفقًا للنظرية الكونية المقبولة، كان مجال الإشعاع في بداية الكون منتظمًا للغاية، بحيث كانت شدة الإشعاع - وبالتالي درجة الحرارة - في اتجاهات مختلفة في السماء هي نفسها، وبدرجة هائلة من الدقة. . وفي الوقت نفسه، لتفسير خلق النجوم والمجرات، والبنية المرئية للكون، تتطلب النظرية الكونية درجة صغيرة من عدم التماثل (في البداية)، بحيث تختلف درجة حرارة الإشعاع قليلاً في اتجاهات مختلفة فيه.

يوجد الإشعاع في الكون بأكمله وهو قديم: وبمساعدته يمكننا التعرف على الكون البدائي، عندما كان عمره حوالي 300 ألف سنة فقط، وهو جزء صغير جدًا من عمره اليوم، 20-13 مليار سنة. خلال هذه الفترة، المعروفة باسم "عصر إعادة الاتصال"، تم إنشاء جزيئات الإشعاع (الفوتونات) للمرة الأخيرة، عندما اتصلت الإلكترونات والبروتونات لتشكل ذرات الهيدروجين. حتى ذلك الحين كان هناك ارتباط وثيق بين المادة والإشعاع بحيث يتم توليد الفوتونات وامتصاصها بشكل متكرر. في عصر إعادة الاتصال، تم القضاء على الاقتران بين المادة والإشعاع، ويشكل هذا العصر حدًا لقدرتنا على "رؤية" الكون المبكر. نظرًا لأن تأثير المادة على الإشعاع يتم بشكل رئيسي من خلال تشتتها، فإن المنطقة التي ينفصل فيها الإشعاع عن المادة وتتحرك دون إزعاج منذ ذلك الحين تسمى أيضًا "سطح التشتت الأخير".

إن العمليات التي حدثت في عصر الاتصال تترك بصمة فريدة ومميزة على التوزيع المكاني للإشعاع. وهذه الحالة تشبه إلى حد ما انبعاث الضوء من وجه الشمس. إن تحليل خصائص ضوء الشمس يجعل من الممكن تحديد درجة الحرارة على سطحه، وكذلك تقدير كثافة المادة الموجودة في الغلاف الخارجي للشمس. وبالمثل، يمكن التعرف على خصائص المادة والإشعاع في الكون في المرحلة التي ينفصل فيها الإشعاع عن المادة ويتحرك بحرية دون امتصاص أو تشتت، وصولاً إلى جهاز القياس على سطح الأرض. في حين أن رسم خرائط التوزيع المكاني للإشعاع على مساحات واسعة يجعل من الممكن التعرف على الخلفية الكونية التي ينتقل فيها الإشعاع إلينا - على سبيل المثال، حول انحناء الفضاء الكوني - وقياس التوزيع على مساحة صغيرة، المساحة التي كانت تمثل الكون المرئي بأكمله في عصر إعادة الاتصال، تجعل من الممكن تحديد كثافة المادة العادية والأحجام المهمة الأخرى.

أطلقت وكالة ناسا COBE، أول قمر صناعي كوني، في عام 1989. قام أحد أجهزة القياس الموجودة على القمر الصناعي بقياس نطاق الإشعاع بدقة لا تصدق. التوزيع المقاس يناسب تمامًا منحنى بلانك. وهذه النتيجة مهمة للغاية، حتى لو لم تكن مفاجئة. والأهم من ذلك هو قياس التوزيع المكاني للإشعاع عبر السماء بواسطة أداة أخرى (DMR). وقام هذا الجهاز بقياس درجة حرارة الإشعاع في اتجاهات مختلفة في السماء واكتشف لأول مرة أن هناك عدم انتظام بسيط - بمعدل واحد في مائة ألف - في قيمة درجة الحرارة في اتجاهات مختلفة. أصبح هذا القياس الحساس ممكنًا من خلال رسم خريطة للسماء بأكملها لمدة أربع سنوات تقريبًا. تتيح القياسات على مدى هذه الفترة الطويلة تقليل "ضوضاء القياس" المختلفة إلى أدنى حد ممكن واستنتاج حجم الانحراف عن التماثل إحصائيًا بدرجة عالية جدًا من الأهمية.

إن أهمية قياسات COBE كبيرة جدًا: فنتائجها تدعم بشكل أساسي وبشكل كبير نظرية الانفجار الكبير. وعندما نُشرت النتائج الأولى لمعالجة البيانات في عام 1992، وكان من الواضح أن عدم الانتظام المتوقع في التوزيع المكاني للإشعاع قد تم اكتشافه أخيرًا، كان الحماس بين الفيزيائيين كبيرًا لدرجة أن البعض أشاد بهذا الاكتشاف باعتباره أحد الاكتشافات الجديدة. أهم النتائج العلمية في القرن العشرين. أدى النجاح الكبير لـ COBE إلى تطور مثير للإعجاب في الأبحاث في علم الكونيات بشكل عام، وفي دراسة إشعاع الخلفية بشكل خاص. منذ بداية التسعينيات، قامت العديد من أنظمة القياس (التلسكوبات المجهزة بكاشفات حساسة) بقياس البنية المكانية للإشعاع في نطاق ترددي يتوسع باستمرار، والأهم من ذلك - مع دقة مكانية (دقة) أعلى بكثير من تلك الخاصة بـ COBE .

ركزت قياسات COBE على تحديد نطاق الإشعاع وتوزيعه المكاني عبر السطح
مساحات كبيرة في السماء. من أجل تحديد تركيبة المادة في الكون والأحجام الأساسية التي تحدد كيفية تطورها من حالة التماثل الكامل تقريبًا في الكون البدائي إلى بنيتها المرئية اليوم، من أجل تحديد أكثر تفصيلاً، فمن الضروري قياس توزيع الإشعاع عبر الكون. مناطق أصغر بكثير. دليل رصدي مباشر على العمليات الفيزيائية التي حدثت أثناء انتقال الكون من حالة كانت فيها المادة العادية فيه ساخنة ومتأينة إلى حالة تحولت فيها المادة إلى ذرات الهيدروجين والهيليوم - وهي العمليات التي تحدث بشكل رئيسي في المناطق التي يكون قطرها الزاوي صغيرًا - ستسمح لنا بتحديد كثافة المادة العادية والمادة المظلمة والمساهمات الأخرى المحتملة في كثافة الكتلة والطاقة في الكون بدقة أكبر. إن أهمية معرفة هذه الكثافات ليست تقنية بحتة: فنظرية النسبية العامة لأينشتاين تشمل بشكل كامل ودقيق الطبيعة الهندسية للكون (الفضاء المسطح أو المنحني)، والحجم (المحدود أو اللانهائي) ومعدل التوسع (التباطؤ أو التسارع) للكون في محتواها المادي والطاقي.

كما ذكرنا، حدث تطور كبير في درجة دقة قياسات إشعاع الخلفية منذ COBE، وذلك بشكل رئيسي من خلال رفع أنظمة القياس على البالونات إلى ارتفاع عدة عشرات من الكيلومترات. وفي القياسات من هذه المرتفعات، يكون امتصاص الغلاف الجوي للإشعاع أصغر بكثير منه على سطح الأرض. تم الحصول على أهم النتائج من خلال نظامي قياس مماثلين - MAXIMA و - BOOMERANG، اللذان قاما بقياس الإشعاع في نطاق واسع من الترددات. تم إجراء قياسات بوميرانغ على مدار 10 أيام (في أوائل يناير 1999) أثناء تحليق المنطاد فوق القارة القطبية الجنوبية حول القطب الجنوبي. وفقا للبيانات المستمدة من هذه القياسات، من الممكن تحديد قيم معظم الكميات الكونية المهمة بطريقة أكثر تفصيلا - كثافة المادة المظلمة، مساهمة الثابت الكوني في كثافة الطاقة، الكثافة للمادة العادية، وطبيعة نطاق عدم الانتظام الأولي، والكميات الأخرى. الاستنتاج الأساسي من هذه النتائج وغيرها له أهمية خاصة: الكون لانهائي، ومساحته مسطحة.

ويثير هذا النجاح التساؤل حول ما إذا كان من الضروري إطلاق MAP، التي تكلفتها أعلى بكثير بالطبع من تكلفة إطلاق البالون، إذا كان من الممكن تحقيق نفس الأهداف العلمية بهذه الطريقة. الجواب هو أنه من الممكن بالفعل تحقيق بعض أهداف البحث باستخدام البالونات، ولكن لا تزال هناك حاجة كبيرة لإجراء قياسات على مدى فترة زمنية أطول - عدة سنوات، بدلاً من عشرات الأيام - وفترة زمنية أكثر شمولاً وأوسع بكثير. رسم خريطة كاملة للسماء. هذه هي المزايا الرئيسية لـ MAP مقارنة بالقياسات التي يتم إجراؤها من البالون.

منذ حوالي شهرين، في 1 أكتوبر، وصلت MAP إلى نقطة تبعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر عن الأرض على الجانب الآخر من خط الأرض-الشمس (انظر الشكل). ويدخل القمر الصناعي في مدار حول هذه النقطة بحيث تكون المسافة بينه وبين كل من هذه الأجسام ثابتة (وتسمى هذه النقطة لاغرانج L2). وللحركة في هذا المدار مميزات مهمة جدا: حيث يمكن دائما توجيه أجهزة القياس بعيدا عن الشمس والأرض والقمر معا، والمسافة الثابتة من هذه الأجسام (التي تكون شدة الإشعاع منها أعلى بكثير من شدة الإشعاع الكوني). إشعاع الخلفية) يسمح بإجراء القياسات في بيئة إشعاع ثابتة، وتحت ظروف درجة حرارة موحدة. وهذه هي المرة الأولى التي يكون فيها قمر صناعي لناسا في مدار بعيد جدًا عن الأرض. بدأت أجهزة الأقمار الصناعية بالفعل في إجراء قياسات أولية لإشعاع الخلفية. ومن المقرر أن تستمر القياسات حوالي 27 شهرًا، حيث يكمل القمر الصناعي رسم خريطة كاملة للسماء كل ستة أشهر.

البروفيسور رافائيلي هو رئيس قسم الفيزياء الفلكية في جامعة تل أبيب