ما هي خلفية الميكروويف الكونية؟

Send

لآلاف السنين ، كان الإنسان يفكر في الكون ويسعى إلى تحديد مدىه الحقيقي. بحلول القرن العشرين ، بدأ العلماء في فهم مدى اتساع (وربما حتى نهاية) الكون.

وفي سياق البحث في الفضاء الخارجي ، وفي عمق الزمن ، اكتشف علماء الكونيات بعض الأشياء المدهشة حقًا. على سبيل المثال ، خلال الستينيات من القرن العشرين ، أصبح الفلكيون على دراية بإشعاع خلفية الموجات الدقيقة التي يمكن اكتشافها في جميع الاتجاهات. وقد ساعد وجود هذا الإشعاع ، المعروف باسم الخلفية الكونية للميكروويف (CMB) ، على فهم فهمنا لكيفية بدء الكون.

وصف:

إن الإشعاع الكهرومغناطيسي هو في الأساس إشعاع كهرومغناطيسي متبقي من أقدم عصر كوني يتخلل الكون بأكمله. يُعتقد أنها تشكلت بعد حوالي 380.000 سنة من الانفجار العظيم وتحتوي على مؤشرات دقيقة لكيفية تشكل النجوم والمجرات الأولى. في حين أن هذا الإشعاع غير مرئي باستخدام التلسكوبات البصرية ، فإن التلسكوبات الراديوية قادرة على اكتشاف الإشارة الباهتة (أو التوهج) الأقوى في منطقة الميكروويف من الطيف الراديوي.

يمكن رؤية CMB على مسافة 13.8 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات من الأرض ، مما دفع العلماء إلى تحديد أن هذا هو العمر الحقيقي للكون. ومع ذلك ، فإنه ليس مؤشرا على المدى الحقيقي للكون. بالنظر إلى أن الفضاء كان في حالة توسع منذ الكون المبكر (وهو يتوسع بشكل أسرع من سرعة الضوء) ، فإن CMB هو أبعد مسافة في الزمن يمكننا رؤيتها.

العلاقة مع الانفجار الكبير:

ال CMB هو مركز لنظرية الانفجار العظيم والنماذج الكونية الحديثة (مثل نموذج Lambda-CDM). كما تقول النظرية ، عندما ولد الكون قبل 13.8 مليار سنة ، تم تكثيف كل المادة على نقطة واحدة من الكثافة اللانهائية والحرارة الشديدة. بسبب الحرارة والكثافة الشديدة للمادة ، كانت حالة الكون غير مستقرة للغاية. فجأة ، بدأت هذه النقطة في التوسع ، وبدأ الكون كما نعرفه.

في هذا الوقت ، امتلأ الفضاء بتوهج موحد من جزيئات البلازما البيضاء الساخنة - التي تتكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والفوتونات (الضوء). بين 380،000 و 150 مليون سنة بعد الانفجار الكبير ، كانت الفوتونات تتفاعل باستمرار مع الإلكترونات الحرة ولا يمكنها السفر لمسافات طويلة. ولهذا السبب يشار إلى هذه الحقبة بالعامية باسم "العصور المظلمة".

مع استمرار الكون في التمدد ، تبرد إلى درجة تمكن الإلكترونات من الاندماج مع البروتونات لتشكيل ذرات الهيدروجين (المعروفة أيضًا باسم فترة إعادة التركيب). في غياب الإلكترونات الحرة ، تمكنت الفوتونات من التحرك دون عائق من خلال الكون وبدأت في الظهور كما هي اليوم (أي شفافة ومتخللة بالضوء). على مدى مليارات السنين المتداخلة ، استمر الكون في التمدد والتبريد بشكل كبير.

نظرًا لتوسع الفضاء ، نمت الأطوال الموجية للفوتونات (أصبحت "انزياحًا أحمرًا") إلى 1 ملم تقريبًا وانخفضت درجة حرارتها الفعالة إلى ما فوق الصفر المطلق - 2.7 كلفن (-270 درجة مئوية ؛ -454 درجة فهرنهايت). تملأ هذه الفوتونات مجلة الفضاء وتظهر كوهج في الخلفية يمكن اكتشافه في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء البعيدة والراديو.

تاريخ الدراسة:

ظهر وجود CMB لأول مرة من قبل الفيزيائي الأمريكي الأوكراني جورج جامو ، مع طلابه ، رالف ألفر وروبرت هيرمان ، في عام 1948. واستندت هذه النظرية إلى دراساتهم حول عواقب التخليق النووي لعناصر الضوء (الهيدروجين والهيليوم و الليثيوم) خلال الكون المبكر للغاية. بشكل أساسي ، أدركوا أنه من أجل تجميع نوى هذه العناصر ، يجب أن يكون الكون المبكر ساخنًا للغاية.

كما افترضوا أن الإشعاع المتبقي من هذه الفترة شديدة الحرارة سوف يتخلل الكون ويمكن كشفه. نظرًا لتوسع الكون ، قدروا أن إشعاع الخلفية هذا سيكون له درجة حرارة منخفضة تبلغ 5 كلفن (-268 درجة مئوية ؛ -450 درجة فهرنهايت) - خمس درجات فقط فوق الصفر المطلق - وهو ما يتوافق مع أطوال موجات الميكروويف. لم يكن حتى عام 1964 أن تم الكشف عن أول دليل لـ CMB.

كان هذا نتيجة لعلماء الفلك الأمريكيين أرنو بينزياس وروبرت ويلسون باستخدام مقياس الإشعاع ديكي ، الذي كانوا ينوون استخدامه لتجارب علم الفلك الراديوي وتجارب الاتصالات الساتلية. ومع ذلك ، عند إجراء القياس الأول ، لاحظوا زيادة في درجة حرارة الهوائي 4.2K لم يتمكنوا من حسابها ويمكن تفسيرها فقط من خلال وجود إشعاع الخلفية. لاكتشافهم ، حصل Penzias و Wilson على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1978.

في البداية ، كان الكشف عن الإشعاع CMB مصدر خلاف بين مؤيدي النظريات الكونية المختلفة. في حين ادعى أنصار نظرية الانفجار الكبير أن هذا هو "الإشعاع المتبقي" المتبقي من الانفجار الكبير ، جادل أنصار نظرية الحالة الثابتة أنها كانت نتيجة ضوء النجوم المتناثرة من المجرات البعيدة. ومع ذلك ، بحلول السبعينيات ، ظهر إجماع علمي يفضل تفسير الانفجار الكبير.

خلال الثمانينيات ، وضعت الأدوات الأرضية حدودًا صارمة بشكل متزايد على اختلافات درجة الحرارة في الإشعاع CMB. وشملت هذه المهمة RELIKT-1 السوفيتية على متن القمر الصناعي Prognoz 9 (الذي تم إطلاقه في يوليو 1983) ومهمة ناسا الخلفية الكونية (COBE) (التي تم نشر نتائجها في عام 1992). لعملهم ، حصل فريق COBE على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2006.

اكتشف COBE أيضًا أول ذروة سمعية لـ CMB ، التذبذبات الصوتية في البلازما والتي تتوافق مع اختلافات الكثافة واسعة النطاق في الكون المبكر الناشئ عن عدم استقرار الجاذبية. اتبعت العديد من التجارب على مدى العقد المقبل ، والتي تتكون من التجارب الأرضية والبالونية التي كان الغرض منها توفير قياسات أكثر دقة للذروة الصوتية الأولى.

تم الكشف عن الذروة الصوتية الثانية بشكل مبدئي من خلال العديد من التجارب ، ولكن لم يتم اكتشافها بشكل نهائي حتى تم نشر مسبار ويلكينسون للميكروويف المتغاير (WMAP) في عام 2001. وبين عامي 2001 و 2010 ، عندما اختتمت المهمة ، اكتشفت WMAP أيضًا ذروة ثالثة. منذ عام 2010 ، كانت بعثات متعددة تراقب CMB لتوفير قياسات محسنة للاستقطاب والتغيرات الصغيرة في الكثافة.

وتشمل هذه التلسكوبات الأرضية مثل QUEST في DASI (QUaD) وتلسكوب القطب الجنوبي في محطة القطب الجنوبي Amudsen-Scott ، وتلسكوب Atacama Cosmology و Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) في شيلي. في غضون ذلك ، وكالة الفضاء الأوروبية بلانك تواصل المركبة الفضائية قياس CMB من الفضاء.

مستقبل CMB:

وفقًا للعديد من النظريات الكونية ، قد يتوقف الكون في وقت ما عن التوسع ويبدأ في الانعكاس ، وبلغت ذروتها بانهيار تلاه الانفجار الكبير الآخر - المعروف أيضًا باسم. نظرية أزمة كبيرة. في سيناريو آخر ، يُعرف باسم التمزق الكبير ، سيؤدي توسع الكون في النهاية إلى تمزق كل المادة والزمكان نفسه.

إذا لم يكن أي من هذه السيناريوهات صحيحًا ، واستمر الكون في التوسع بمعدل متسارع ، فإن CMB سيستمر في التحول إلى النقطة التي لم يعد من الممكن اكتشافها. عند هذه النقطة ، سيتم تجاوزه من خلال أول ضوء نجمي تم إنشاؤه في الكون ، ثم من خلال حقول الإشعاع الخلفية التي تنتجها العمليات المفترضة ستحدث في مستقبل الكون.

لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول خلفية الميكروويف الكونية هنا في مجلة الفضاء. إليك ما هو إشعاع الخلفية الكونية للميكروويف ؟، نظرية الانفجار الكبير: تطور الكون ، ما هو التضخم الكوني؟ السعي لفهم أقرب الكون ، اكتشاف تاريخي: نتائج جديدة توفر دليلاً مباشراً على التضخم الكوني ، وما مدى سرعة توسع الكون؟ يتعاون هابل وغايا لإجراء القياسات الأكثر دقة حتى الآن.

لمزيد من المعلومات ، تحقق من صفحة مهمة WMAP لوكالة ناسا وصفحة مهمة Planck التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية.

يلقي علم الفلك أيضا معلومات حول هذا الموضوع. استمع هنا: الحلقة 5 - الانفجار الكبير وخلفية الميكروويف الكونية

مصادر: