الضوء الكوني القديم الذي ملأ الكون بشكل موحد منذ حوالي 400 ألف سنة بعد الانفجار الكبير يمكن أن يكون بمثابة خريطة الكنز التي ترشد العلماء إلى أسرار المادة المظلمة.
تشير الخلفية الكونية الميكروية (CMB) إلى الضوء الأول الذي يسافر بحرية عبر الكون. بدأت رحلتها بعد أن توسع الفضاء وبرد بدرجة كافية للسماح للإلكترونات والبروتونات بتكوين الذرات الأولى، مما يعني أن الإلكترونات لم تعد تبعثر الفوتونات إلى ما لا نهاية، وتحول الكون على الفور من كونه معتمًا إلى شفاف.
تم التقاط CMB، أو “سطح التشتت الأخير” كما يُعرف أحيانًا، بواسطة كاميرا جديدة مطورة يطلق عليها اسم SPT-3G. يقع SPT-3G على تلسكوب القطب الجنوبي، وقد تمكن من التقاط هذه الظاهرة بعد خمس سنوات من العمليات مع هذه البيانات الأولية التي تشير إلى تطورات مستقبلية مثيرة.
وقال تشاودي بان، مؤلف البحث الرئيسي والعالم في مختبر أرجون الوطني، في بيان: “إن CMB هي خريطة كنز لعلماء الكونيات”. “إن الاختلافات الضئيلة في درجة الحرارة والاستقطاب توفر نافذة فريدة على طفولة الكون.”
متعلق ب: كيف سيبحث خليفة مصادم الهادرونات الكبير عن الكون المظلم
وكما سيخبرك أي قرصان، فإن كل خرائط الكنوز الجيدة تحتاج إلى مفتاح للقراءة. في حالة خريطة الكنز الكوني هذه، لم يتم الكشف عن توزيع المادة المظلمة إلا في ضوء نظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية عام 1915: النسبية العامة.
قراءة الخريطة الكونية مع أينشتاين
يعتقد علماء الفلك أن جميع المجرات محاطة بهالات ضخمة من المادة المظلمة؛ في الواقع، هذا الشكل الغامض من المادة موجود في كل مكان لدرجة أنه يمثل 68% من إجمالي المادة في الكون.
ومع ذلك، نظرًا لأن المادة المظلمة ليست مكونة من ذرات تتكون من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات – المعروفة مجتمعة باسم الباريونات – فإنها لا تتفاعل مع الضوء. ومع ذلك، فإن المادة المظلمة لها كتلة، وهذا يعني أنها تتفاعل مع الجاذبية.
وهنا يأتي دور النسبية العامة. تقول نظرية أينشتاين في الجاذبية أن جميع الأجسام ذات الكتلة تسبب انحناء في الزمكان، وهو الكيان الموحد رباعي الأبعاد المكون من الأبعاد الثلاثة للمكان والبعد الواحد للزمن.
عندما يمر الضوء من مصدر خلفي بهذا الانحناء في الفضاء الناتج عن الكتلة، ينحرف مساره. بالنسبة للأجسام ذات الكتلة الكبيرة، مثل المجرات، يمكن أن ينحني ضوء الخلفية كثيرًا بحيث تبدو المجرات أو النجوم التي يأتي منها وكأنها قد تحركت في السماء. في الحالات القصوى، يمكن للضوء الذي يمر عبر هذا الجسم المتوسط أن يتخذ مسارات حول الجسم منحنية بدرجات مختلفة، مما يعني أن مصدرًا واحدًا يمكن أن يظهر أحيانًا في نقاط متعددة في نفس الصورة.
يُسمى هذا التأثير عدسة الجاذبية، ويتم استخدامه بشكل كبير بواسطة أدوات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي لرؤية المجرات الخافتة في الكون المبكر. يمكن استخدام نسخة أكثر دقة من هذا التأثير، وهي عدسة الجاذبية الدقيقة، لتحديد المزيد عن جسم العدسة – في هذه الحالة، المادة المظلمة.
ومع ذلك، للحصول على صورة لشبكة من المادة المظلمة عبر الكون، يحتاج العلماء إلى مصدر ضوء منتشر على نطاق كوني مماثل. وهذا يجعل من CMB الضوء المثالي لمثل هذا التحقيق الملحمي في عدسات المادة المظلمة.
كان SPT-3G قادرًا بشكل خاص على الاستفادة من قلة التداخل الموجود في الغلاف الجوي الجاف والمستقر لتلسكوب القطب الجنوبي وموقعه البعيد. وفي هذه العملية، أضاف التحقيق المزيد من الدعم الأدلة إلى النسبية العامة لأينشتاين،
وقال بان: “كلما تعلمنا أكثر عن توزيع المادة المظلمة، كلما اقتربنا من فهم طبيعتها ودورها في تشكيل الكون الذي نعيش فيه اليوم”.
على الرغم من أن التحليل الجديد هو نتيجة بضعة أشهر فقط من التشغيل في عام 2018، إلا أن قياسات عدسة CMB تنافسية بالفعل في هذا المجال.
“أحد الأجزاء المثيرة حقًا في هذه الدراسة هو أن النتيجة تأتي مما يتطلب البيانات بشكل أساسي عندما بدأنا للتو عمليات المراقبة باستخدام SPT-3G – والنتيجة رائعة بالفعل،” إيمي بندر، مؤلفة البحث وعالمة الفيزياء في جامعة كاليفورنيا. وقال أرجون في البيان. “لدينا خمس سنوات أخرى من البيانات التي نعمل على تحليلها الآن، لذا فإن هذا يشير فقط إلى ما سيأتي.”
قصص ذات الصلة:
– المجرة الضخمة التي لا تحتوي على مادة مظلمة هي لغز كوني
— يحفر الباحثون عميقًا تحت الأرض على أمل أن يتمكنوا أخيرًا من مراقبة المادة المظلمة
– تلسكوب إقليدس “الكون المظلم” يلتقط أول مناظر كاملة الألوان للكون (صور)
حتى باستخدام مجموعة مخصصة من أجهزة الكمبيوتر في مركز موارد الحوسبة في مختبر أرجون، يعد تحليل أشهر من البيانات من كاميرا SPT-3G مهمة شاقة تستغرق سنوات.
يمكن للنتائج المستقبلية من الكاميرا أن تساعد العلماء على معالجة لغز كوني آخر طويل الأمد: طبيعة الطاقة المظلمة، القوة المجهولة التي تدفع التوسع المتسارع للكون.
واختتم بندر حديثه قائلاً: “في كل مرة نضيف فيها المزيد من البيانات، نجد المزيد من الأشياء التي لا نفهمها”. “بينما تقوم بتقشير طبقات هذه البصلة، ستتعلم المزيد والمزيد عن أداتك وأيضًا عن قياسك العلمي للسماء.”
نُشرت النتائج الأولى لكاميرا SPT-3G العام الماضي في مجلة Physical Review D.