من خلال قياس كيفية تذبذب موجات الطاقة في السماء فوق الأرض، ابتكر العلماء طريقة للتعمق في تاريخ كوننا البالغ من العمر 13.8 مليار سنة – بدءًا من “أول ضوء”.
استخدم الفريق، بقيادة علماء الفيزياء الفلكية في جامعة جونز هوبكنز، مجموعة من التلسكوبات الميكروويفية تسمى مساح علم الكون الزاوي الكبير (CLASS) لرسم خريطة لـ 75٪ من السماء فوق الأرض. يقع هذا المرصد في سلسلة جبال الأنديز، على ارتفاع 16860 قدمًا تقريبًا فوق صحراء أتاكاما في تشيلي.
تتعلق القياسات التي أجرتها CLASS بـ “استقطاب الموجات الدقيقة” المرتبط بالاتجاه الذي تصطف فيه موجات الضوء. ستساعد هذه القياسات العلماء على تصفية الطول الموجي للإشعاع المنبعث من مجرة درب التبانة والمتصل بأول ضوء للكون، وهي أحفورة سماوية تسمى “الخلفية الكونية الميكروويفية” أو CMB.
وقال توبياس مارياج، القائد المشارك للفريق وأستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة جونز هوبكنز، في بيان: “من خلال دراسة استقطاب الإشعاع CMB، يمكن لعلماء الفيزياء الفلكية استنتاج ما كان عليه الكون في أوقات سابقة”. “يمكن لعلماء الفيزياء الفلكية العودة إلى العصور المبكرة جدًا – الظروف الأولية، واللحظات الأولى التي ظهرت فيها المادة في الكون وتوزيع الطاقة لأول مرة – ويمكنهم ربط كل ذلك بما نراه اليوم”.
متعلق ب: اكتشاف مفاجئ لأشعة جاما قد يسلط الضوء على الغموض الكوني
فك رموز الحفرية الكونية
يتكون CMB من بقايا ضوء من حدث وقع بعد حوالي 380 مليون سنة من الانفجار الكبير خلال فترة تسمى “عصر إعادة التركيب”. حتى هذه اللحظة، كان الكون مليئًا ببلازما ساخنة وكثيفة جعلته معتمًا. كانت هذه العصور المظلمة الكونية المزعومة ناجمة عن ارتداد الإلكترونات الحرة بلا نهاية حول جسيمات الضوء التي تسمى الفوتونات.
بعد ذلك، بدأت حقبة إعادة التركيب عندما تمدد الكون وتبرد بدرجة كافية للسماح للإلكترونات بالارتباط مع البروتونات، وتكوين الذرات الأولى، ونشوء أخف وأبسط عنصر في الكون: الهيدروجين. إن الغياب المفاجئ للإلكترونات الحرة يعني أن الفوتونات أصبحت حرة في السفر على الفور، وأصبح الكون شفافًا للضوء.
ويُنظر إلى هذا الضوء الأول اليوم باسم CMB.
نظرًا لأن تاريخها يعود إلى الوقت الذي كان فيه الكون أكثر كثافة مما هو عليه اليوم، فقد انتشر الإشعاع CMB بالتساوي تقريبًا في جميع أنحاء الكون. ومع ذلك، توجد اختلافات صغيرة في الإشعاع CMB، ولأن هذا الإشعاع موجود منذ حوالي 13.4 مليار سنة، فإن تلك الاختلافات هي التي تحكي قصة المادة وكيف تطور توزيعها. وهذا يشمل تكوين النجوم الأولى والمجرات والمجموعات المجرية.
يقول نايجل شارب، مدير برنامج قسم العلوم الفلكية التابع لمؤسسة العلوم الوطنية، والذي دعم الدراسة: “إن دراسة بقايا الإشعاع منذ بداية الكون أمر بالغ الأهمية لفهم كيف نشأ الكون بأكمله ولماذا هو على ما هو عليه الآن”. وقال CLASS لأكثر من عقد من الزمان في البيان. “توفر هذه القياسات الجديدة تفاصيل أساسية واسعة النطاق ضمن صورتنا المتنامية للاختلافات الموجودة في إشعاع الخلفية الكونية – وهو إنجاز مثير للإعجاب بشكل خاص لأنه تم تحقيقه باستخدام أدوات أرضية.”
تمنح خرائط CLASS نظرة ثاقبة لإشارة الموجات الدقيقة التي تسمى الاستقطاب الخطي، والتي تنبعث عندما يقتصر الضوء على مستوى واحد. الاستقطاب الخطي لأشعة الميكروويف هو نتيجة المجال المغناطيسي لدرب التبانة الذي يحرك الإلكترونات بسرعات عالية. وبالتالي، يمكن لهذه الإشارة أن تساعد في دراسة درب التبانة، ولكنها يمكن أيضًا أن تقف في طريق استكشاف الكون المبكر باستخدام الإشعاع CMB.
من خلال رسم خريطة واضحة للسماء الميكروية والسماح للعلماء بتصفية الموجات الميكروية المستقطبة الخطية، يمكن لـ CLASS تحسين فهمنا للعمليات الفيزيائية التي كانت موجودة في الكون المبكر. كانت تلك العمليات قادرة على خلق خلفية من الاستقطاب الدائري. يحدث الاستقطاب الدائري عندما يتصرف الضوء كموجة عرضية ثنائية الأبعاد؛ وهو يختلف عن موجات الميكروويف ذات الاستقطاب الخطي.
“من المهم جدًا معرفة سطوع الانبعاث من مجرتنا درب التبانة لأن هذا هو ما يتعين علينا تصحيحه لإجراء تحليل أعمق لخلفية الموجات الميكروية الكونية،” كما يقول جوزيف إيمر، المؤلف الرئيسي للبحث وعالم الفيزياء الفلكية في جامعة جون هوبكنز، قال في البيان. “لقد نجح CLASS جدًا في تحديد طبيعة تلك الإشارة حتى نتمكن من التعرف عليها وإزالة تلك الملوثات من الملاحظات.”
قصص ذات الصلة:
– تم العثور على 300 نجم نيوتروني منفجر بأشعة جاما بكميات ضخمة – وبعضها عبارة عن “نجوم نابضة عنكبوتية”
– تلسكوب فيرمي التابع لناسا: دراسة الكون عالي الطاقة
– خريطة جديدة للمادة المظلمة تم إنشاؤها باستخدام “الأحفورة الكونية” تظهر أن أينشتاين كان على حق (مرة أخرى)
مع تقديم هذه النتائج الجديدة، وضعت CLASS معيارًا جديدًا لرسم خرائط استقطاب الضوء، مما فتح آفاقًا جديدة لمرصد يعتمد على الأرض والذي قد يحتاج إلى التعامل مع التداخل من الغلاف الجوي لكوكبنا.
وخلص إلمر إلى أن “المشروع هو في طليعة دفع قياسات الاستقطاب الأرضية على أوسع نطاق”.
نُشر بحث الفريق في 26 فبراير في مجلة الفيزياء الفلكية.