جدیدترین مطالب را دنبال کنید

تابش پس زمینه کیهانی چگونه محتوای کیهان را فاش می‌کند

08:001520
FavoriteLoadingافزودن به علاقمندی

تصویری از کیهان نوزاد، مقدار دقیق ماده تاریک و انرژی تاریک در کیهان را افشاء می‌کند. در سال ۲۰۰۳ ، Chuck Bennet مقدار محتوای دقیق کیهان را دریافت. پس از آن، اغلب کیهان‌شناسان به این نتیجه رسیدند که محتوای کیهان بسیار بیش از آنچه به چشم می‌رسد است. مشاهدات حاصل از کهکشان‌های مارپیچی ماده‌ای نامرئی را مطرح می‌کنند که ستارگان درون کهکشان‌ها را نگه می‌دارد، در عین حال یک شکل دافعه از انرژی، کهکشان‌ها را از هم دور می‌کند. برای آموختن هرچه بیشتر، Bennett و گروه «کاوشگر ناهسانگردی ریزموج ویلکینسون (WMAP) » یک سال را صرف جمع‌آوری ریزموج‌هایی که از تمام راستاها در آسمان می‌آیند کردند. این ریزموج‌ها در واقع پرتوهای نوری هستند که از گذشته‌ای دور یعنی جایی که کیهان فقط ۳۸۰۰۰۰ سال سن داشت می‌آیند. با تصویربرداری از این نورِ باقی‌مانده از کیهان جوان، گروه WMAP توانستند سن و شکل و محتوای دقیق سازنده کیهان یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک را مشخص کنند. Bennet ، اخترفیزیکدان در دانشگاه جانز هاپکینز (Johns Hopkins) می‌گوید: ما ناگهان فهرستی از اعداد داشتیم.

گروه WMAP اولین نتایج خود را در فوریه ۲۰۰۳ منتشر کردند. نقشه‌ی آن‌ها از «تابش ریزموج پس زمینه کیهانی» یا همان CMB ، که آن‌ها طی سالیان متوالی آن را بهبود بخشیدند، نشان داد که شکل آشنای ماده که سازنده سیارات، گاز میان ستاره‌ای و ستارگان است حدود 4.6 % از کیهان را می‌سازد، در حالی‌که ماده تاریک دیده نشده حدود 24% از کیهان را تشکیل می‌دهد. 71.4% باقی‌مانده از نمودار پای کیهانی نیز باید انرژی تاریک باشد، که تصور می‌شد خود بافتار فضا آن را القاء می‌کند. این اعداد وقتی جانشین تلسکوپ WMAP یعنی ماهواره Planck تصویری دقیق‌تر از CMB ارائه داد کمی تغییر کردند. و در حالی‌که دیگر شواهد انرژی تاریک و ماده تاریک همچنان به چالش کشیده می‌شوند، ردپای آن‌ها در CMB تقریبا غیر قابل انکار است.

اخترفیزیکدان Yacine Ali-Haïmoud در دانشگاه نیویورک می‌گوید:

تابش CMB اگر نگوییم مهم‌ترین اما قطعا یکی از، ستون‌های مهم کیهان‌شناسی نوین است.

در ادامه می‌بینیم که چطور کیهان پیغام خود را در تابش پس زمینه کیهانی برای ما در هم پیچیده نوشته و چگونه پژوهشگران آموختند آن را بخوانند.

در آغاز، قبل از آن‌که ریزموج‌ها، چشمه خود را ترک کنند، کیهان تقریبا یک سیال بدون ویژگی خاص و متشکل از ماده تاریک و مرئی بود. این ماده اولیه به صورت داغ و سفید رنگ درخشید و سپس به صورت یک نور نارنجی رنگ در طی چند صد هزار سال اولِ کیهان درآمد. پرتوهای نور قبل از پراکندگی از ذرات همسایگی‌شان نمی‌توانستند تا فواصل دور سفر کنند. این پراکندگی پرتوهای نور، سیال ماده-فوتون را مه‌گونه (کِدِر) و تحت فشار حفظ می‌کرد.

اما بذر اولیه‌ی ستاره‌ها و سیارات امروزی اکنون کاشته شده است. هیچ چیز در طبیعت کامل نیست، و آش کیهانی اولیه که یکنواخت و هموار بود اکنون دلمه شده، و نواحی با چگالی به اندازه یک هزارم درصد بیشتر از نواحی اطراف تشکیل یافته‌اند.

در این سیال همراه با اینکه گرانش ماده را به سمت هم می‌کشد و رمبش ایجاد می‌کند، فشار فوتون‌ها می‌خواهد آن را از هم باز کند. این مسابقه طناب‌کشی بین نور و گرانش نواحی چگال را هم‌زمان با اینکه ماده اضافی به بیرون می‌ریزد، نازک‌تر کرد و نواحی کم چگال را ضخیم‌تر کرد. وقتی یک ناحیه خیلی نازک می‌شد، ذرات مجدد به آن ناحیه هجوم می‌بردند، و بالعکس، آن‌چنان‌که هر لکه بین چگالی زیاد و کم در نوسان بود. خوشبختانه، فیزیکدان‌ها تمام ابزارهای تئوری مورد نیاز برای تحلیل چنین حرکت موج‌وارِ یک سیال ساده در دمای معمول را در اختیار دارند. Ali-Haïmoud می‌گوید: فیزیک این پدیده واقعا بسیار قدیمی و شناخته شده است.

تابش CMB سیال چسبناک ماده-فوتون را در زمان به خصوص گیر می‌اندازد. پس از این‌که کیهان به مدت ۳۸۰ هزار سال منبسط شد، به اندازه کافی سرد شده است تا پروتون‌ها و الکترون‌ها به صورت اتم‌های هیدروژن با هم جفت شدند، که به این رخداد، «بازترکیب»  (Recombination)  گفته می‌شود. با وارد شدن چند ذره باردار، پرتوهای نور ناگهان رها می‌شوند، و با تخلیله‌ی فشار فوتونی لکه‌های چگالی ماده در جای خود منجمد (فریز) می‌شوند. پس از آن، کیهان انبساط یابنده طول موج فوتون‌ها را می‌کشد و منبسط می‌کند تا به اندازه طول موج‌ ریزموج (Microwave) درآیند. تلسکوپ‌های WMAP و Planck با جمع‌آوری این نورهای ریزموج از سرتاسر آسمان، کیهان اولیه و محتوای سازنده کیهان را ثبت کردند. نقشه‌های بدست آمده توسط این دو تلسکوپ یک الگوی لکه‌ای از نقاط چگال‌تر و نقاط کم چگال را آشکار می‌کنند که با ریزموج‌هایی که کسری از یک درجه را گرم‌تر یا سردتر اندازه‌گیری می‌کنند مشخص می‌شوند.

طیف توان تابش پس زمینه کیهانی
طیف توان CMB

کلید رمزگشایی از افت‌وخیزهای درهمِ CMB این است که دوره بازترکیب تضمین کرد که یک مجموعه منتخب از لکه‌های فراچگال و فروچگال اهمیت کیهانی کسب می‌کنند. یک لکه چگال از ماده اولیه را در نظر بگیرید که به اندازه‌ای بزرگ هست که ۳۸۰ هزار سال طول بکشد تا کاملا تهی شود، در زمان بازترکیب به عنوان یک ناحیه‌ی تهی ابدی فریز شده است. لکه‌های بزرگتر زمان کافی نداشتند تا کاملا تهی و کم‌چگال شوند، و نواحی لکه‌های کوچک‌تر مجدد شروع به تهی شدن کرده‌اند. یک مجموعه خاص از لکه‌های کوچک‌تر زمان کافی برای تشکیل قله‌های چگالی تا قله‌های کم‌چگالی و باز به قله‌های چگال‌تر را نداشتند. در عین حال مجموعه‌ی دیگری از لکه‌های حتی کوچک‌تر دقیقا سه گذار را تمام کرده‌اند و دیگر لکه‌ها چهار گذار را.

پژوهشگران همپوشانی استاتیکِ CMB را با مات کردن نقشه تا گستره‌های متغیر تحلیل می‌کنند و تغییرات چگالی که مشاهده می‌کنند را رسم می‌کنند. نمودار حاصل، طیف توان تابش پس زمینه نامیده می‌شود، که دارای یک سری از قله‌ها و دره‌ها است که نماینده‌ی لکه‌های خاصی از ماده هستند که به بیشینه چگالی یا تهی بودن در زمان بازترکیب رسیده‌اند. Scott Dodelson کیهان‌شناس در دانشگاه Carnegie Mellon می‌گوید:

اینکه کیهان طور دیگری تحول یافته یا شامل برخی دیگر از ترکیبات کیهانی است، الگوی متفاوتی در زمان بازترکیب تشکیل می‌دهد ، که دانشمندان می‌توانند بر اساس این الگو ویژگی‌های کیهان را از هم تمیز دهند همان‌طور که با استفاده از گوش می‌توان تفاوت ساز پیانو و کلارینت را بیان کرد.

بزرگترین لکه‌ها در نقشه‌ی CMB به اندازه‌ی یک درجه در آسمان امروزی گستردگی دارد، تقریبا دو برابر پهنای ماه کامل در شب. از این، کیهان‌شناسان می‌توانند شکل کیهان را استنتاج کنند- یعنی این‌که هندسه کیهان آیا تخت است، بطوری که پرتوهای موازی نور همچنان موازی می‌مانند، یا مانند یک زین اسب یا کره دارای انحنا است. ماده و انرژی فضا را خمیده می‌کنند، که ما به صورت گرانش آن را تجربه می‌کنیم. در عین حال، انبساط کیهان، فضا را تخت می‌کند. انحناهای مختلف موجب خواهند شد که بزرگترین لکه‌های ماده در نقشه‌ی CMB بزرگتر یا کوچکتر بنظر برسند، اما اندازه ۱ درجه‌ای بزرگترین لکه‌ها با تفسیر ما از کیهان تخت تطابق دارد.

لکه‌های کوچکتر اجزای سازنده کیهان را آشکار می‌کنند. اندازه این لکه‌ها، و این‌که چطور ضخیم یا نازک شده‌اند، وابسته به محتوای سیال است، شبیه به اینکه آبگوشت صدف به شکل متفاتی از سوپ جوجه پخش می‌شود. در سیال کیهان اولیه، ماده تاریک کشش گرانشی را تجربه کرده اما فشار الکترومغناطیس ناشی از پرتوهای نوری را حس نمی‌کرده است. ماده معمولی (باریونی) هر دو را حس می‌کرده است. Tesla Jeltema ، کیهان‌شناسی در دانشگاه کلفرنیا ، سانتا کروز، توضیح می‌دهد که محققان می‌توانند تمایز بین دو جزء سازنده سیال را با مقایسه شدت در لکه‌هایی با اندازه متفاوت که برون‌سو و درون‌سو کشیده شده‌اند تشخصی دهند- در واقع ارتفاع نسبی قله‌ها در طیف توان تابش پس زمینه این را به ما می‌دهد.

هیچ‌کس تاکنون ذرات ماده تاریک را کشف نکرده است، در عین حال تابش CMB رفتار بزرگ-مقیاس این جزء سازنده و گریزان کیهان را به ما مشخص می‌کند. Ali-Haïmoud این وضعیت را مشابه دانشمندان پیش از دوران مدرن می‌داند که مفهوم شناوری و فشار را حتی بدون دانستن ترکیبات شیمیایی آب H2O می‌شناختند. هر تلاشی برای توضیح تأثیر ظاهری ماده تاریک ، از قبیل پیچش قوانین گرانش، باید با نوسانات خاصی در سیال کیهانی نخستین تطابق داشته باشد. تاکنون هیچ مدلی به این چالش برنخاسته است.

در عین حال،‌ انرژی تاریک، نقش قابل صرف‌نظری در کیهان نخستین ایفا کرده است. حضور آن از روی این نشانِ CMB که کیهان تخت است قابل استنتاج است. کمیت‌های اندازه‌گیری شده‌ی ماده تاریک و مرئی آن‌قدر قدرت ندارند که فضا را تخت سازند. اما با افزودن 71.4% انرژی تاریک به کیهان امروزی، همه چیز به تعادل خواهد رسید.

این تصویر کامل نیست، همچنان که مشاهدات رصدی اخیر دلالت بر این دارند که کیهان امروزی با نرخ بیشتری از آن‌چه که CMB نشان می‌دهد در حال انبساط است. اما داده‌های WMAP و Planck دامنه خطای بزرگی برای نظریه پردازانی که به دنبال جایگزین غیر تاریک برای توصیف حرکت ستارگان و کهکشان‌ها هستند باقی گذارده‌اند. Dodelson می‌گوید:

اکنون ما این نقشه‌های با جزئیات فراوان را در اختیار داریم. تابش CMB در بدست آوردن تقریبا همه چیز درباره کیهان بسیار خوب است.

0 0 vote
Article Rating
منبع
Quanta Magazine
لینک کوتاه
https://sciencetoday.ir/?p=5585

78 نوشته
حسین دارای دکترای فیزیک در گرایش کیهان‌شناسی است و علاقمند به گسترش دانش و آگاهی در جامعه است.
مشترک شوید
آگاه شوید
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x
کانال علم روز