الظلال في الانفجار الكبير بعد الشفق تكشف الهياكل الكونية غير المرئية

بعد ما يقرب من 400,000 عام من الانفجار العظيم ، بردت البلازما البدائية للكون الرضيع بما يكفي لتتحد الذرات الأولى ، مما أتاح مساحة للإشعاع المضمن حتى يتحرر. هذا الضوء - الخلفية الكونية الميكروية (CMB) - يستمر في التدفق عبر السماء في جميع الاتجاهات ، يبث لقطة للكون المبكر التقطته التلسكوبات المخصصة وحتى كشف عنها في الثبات على أجهزة تلفزيون أشعة الكاثود القديمة.

بعد أن اكتشف العلماء إشعاع CMB في عام 1965 ، رسموا بدقة الاختلافات الدقيقة في درجات الحرارة ، والتي ظهرت الحالة الدقيقة للكون عندما كانت مجرد بلازما مزبد. الآن يقومون بإعادة استخدام بيانات CMB لفهرسة الهياكل واسعة النطاق التي تطورت على مدى مليارات السنين مع نضوج الكون.

قال هذا الضوء: "لقد شهد هذا الضوء جزءًا كبيرًا من تاريخ الكون ، ومن خلال رؤية كيفية تغيره ، يمكننا التعرف على الحقب المختلفة" كيمي وو، عالم الكونيات في مختبر المسرع الوطني SLAC.

على مدار رحلته التي استغرقت 14 مليار عام تقريبًا ، تم شد الضوء المنبعث من CMB وضغطه وتشوهه بسبب كل ما في طريقه. بدأ علماء الكونيات في النظر إلى ما وراء التقلبات الأولية في ضوء الإشعاع CMB إلى البصمات الثانوية التي خلفتها التفاعلات مع المجرات والبنى الكونية الأخرى. من هذه الإشارات ، يكتسبون رؤية أوضح لتوزيع كل من المادة العادية - كل ما يتكون من أجزاء ذرية - والمادة المظلمة الغامضة. في المقابل ، تساعد هذه الأفكار في تسوية بعض الألغاز الكونية القديمة وطرح بعض الألغاز الجديدة.

نحن ندرك أن CMB لا تخبرنا فقط عن الظروف الأولية للكون. كما يخبرنا عن المجرات نفسها إيمانويل شان، وهو أيضًا عالم كوزمولوجي في SLAC. "وتبين أن هذا قوي حقًا."

كون من الظلال

المسوحات الضوئية القياسية ، التي تتعقب الضوء المنبعث من النجوم ، تتغاضى عن معظم الكتلة الأساسية للمجرات. ذلك لأن الغالبية العظمى من محتوى المادة الكلي في الكون غير مرئي للتلسكوبات - مخفية عن الأنظار إما على شكل كتل من المادة المظلمة أو كالغاز المتأين المنتشر الذي يربط المجرات. لكن كلاً من المادة المظلمة والغاز المتناثر يتركان بصمات يمكن اكتشافها على تكبير ولون ضوء CMB الوارد.

قال شان: "الكون هو في الحقيقة مسرح ظل تكون فيه المجرات هي الأبطال ، و CMB هي الإضاءة الخلفية".

بدأ العديد من لاعبي الظل الآن في الراحة.

عندما تشتت جسيمات الضوء ، أو الفوتونات ، من CMB عن الإلكترونات في الغاز بين المجرات ، فإنها تصطدم بطاقات أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت تلك المجرات في حالة حركة فيما يتعلق بالكون المتوسع ، فإن فوتونات إشعاع الخلفية الكونية الميكروية تحصل على تحول ثانٍ للطاقة ، إما لأعلى أو لأسفل اعتمادًا على الحركة النسبية للعنقود.

كان هذا الزوج من التأثيرات ، المعروف على التوالي بتأثيرات Sunyaev-Zel'dovich الحرارية والحركية (SZ) ، أول نظرية في أواخر الستينيات وتم اكتشافها بدقة متزايدة في العقد الماضي. معًا ، تترك تأثيرات SZ توقيعًا مميزًا يمكن إزالته من صور CMB ، مما يسمح للعلماء بتعيين موقع ودرجة حرارة جميع المواد العادية في الكون.

أخيرًا ، هناك تأثير ثالث يُعرف باسم انعكاس الجاذبية الضعيف الذي يشوه مسار ضوء CMB أثناء انتقاله بالقرب من الأجسام الضخمة ، مما يؤدي إلى تشويه CMB كما لو كان يُنظر إليه من خلال قاعدة كأس النبيذ. على عكس تأثيرات SZ ، فإن العدسة حساسة لجميع المواد - مظلمة أو غير ذلك.

مجتمعة ، تسمح هذه التأثيرات لعلماء الكون بفصل المادة العادية عن المادة المظلمة. بعد ذلك يمكن للعلماء تراكب هذه الخرائط بصور مأخوذة من مسوحات المجرات لقياس المسافات الكونية وحتى تتبع تشكيل النجوم.

In رفيق أوراق في عام 2021 ، فريق بقيادة شان و ستيفانيا اموديو، الذي يعمل الآن في مرصد ستراسبورغ الفلكي في فرنسا ، وضع هذا النهج موضع التنفيذ. قاموا بفحص بيانات CMB التي أخذتها وكالة الفضاء الأوروبية القمر الصناعي بلانك والأرضية تلسكوب أتاكاما لعلم الكونيات، ثم تم تكديسها فوق تلك الخرائط مسحًا ضوئيًا إضافيًا لما يقرب من 500,000 مجرة. سمحت لهم هذه التقنية بقياس محاذاة المادة العادية والمادة المظلمة.

أظهر التحليل أن غاز المنطقة لم يعانق شبكة المادة المظلمة الداعمة لها بإحكام كما توقعت العديد من النماذج. بدلاً من ذلك ، تشير إلى أن الانفجارات من المستعرات الأعظمية والثقوب السوداء الهائلة المتراكمة دفعت الغاز بعيدًا عن عقد المادة المظلمة ، مما أدى إلى انتشاره بحيث كان رقيقًا وباردًا جدًا بحيث لا يمكن للتلسكوبات التقليدية اكتشافه.

ساعد اكتشاف هذا الغاز المنتشر في ظلال CMB العلماء على زيادة معالجة ما يسمى مشكلة الباريونات المفقودة. كما قدمت تقديرات لقوة ودرجة حرارة الانفجارات المشتتة - وهي بيانات يستخدمها العلماء الآن لتحسين نماذجهم لتطور المجرات وهيكل الكون واسع النطاق.

في السنوات الأخيرة ، كان علماء الكونيات في حيرة من حقيقة أن التوزيع الملحوظ للمادة في الكون الحديث هو كذلك أكثر سلاسة مما تتنبأ به النظرية. إذا كانت الانفجارات التي تعيد تدوير الغاز بين المجرات أكثر نشاطًا مما افترض العلماء ، مثل العمل الأخير لشان وأموديو و وغيرها يبدو أن هذه الانفجارات تشير إلى أن هذه الانفجارات يمكن أن تكون مسؤولة جزئيًا عن انتشار المادة بشكل متساوٍ في جميع أنحاء الكون كولين هيل، عالم كوزمولوجي في جامعة كولومبيا يعمل أيضًا على توقيعات CMB. في الأشهر المقبلة ، يخطط هيل وزملاؤه في تلسكوب أتاكاما لعلم الكونيات للكشف عن خريطة محدثة لظلال CMB مع قفزة ملحوظة في كل من تغطية السماء وحساسيتها.

قال هيل: "لقد بدأنا فقط في مسح السطح لما يمكنك فعله بهذه الخريطة". "إنه تحسن مثير مقارنة بأي شيء حدث من قبل. من الصعب تصديق أنها حقيقية ".

ظلال المجهول

كان CMB جزءًا رئيسيًا من الأدلة التي ساعدت في إنشاء النموذج القياسي لعلم الكونيات - الإطار المركزي الذي يستخدمه الباحثون لفهم أصل الكون وتكوينه وشكله. لكن دراسات الإضاءة الخلفية CMB تهدد الآن بإحداث ثغرات في تلك القصة.

قال "هذا النموذج نجا حقًا من اختبار القياسات الدقيقة - حتى وقت قريب" ايشيرو كوماتسو، عالم الكونيات في معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية الذي عمل على تأسيس النظرية كعضو في مسبار ويلكينسون لتباين الميكروويف ، الذي رسم خريطة CMB بين عامي 2001 و 2010. "قد نكون في مفترق طرق ... لنموذج جديد للكون . "

على مدار العامين الماضيين ، كان كوماتسو وزملاؤه يحققون في تلميحات حول شخصية جديدة على مسرح مسرح الظل. تظهر الإشارة في استقطاب أو اتجاه موجات ضوء CMB ، والتي يقول النموذج القياسي لعلم الكونيات إنها يجب أن تظل ثابتة في رحلة الموجات عبر الكون. ولكن كما نظرية قبل ثلاثة عقود بواسطة شون كارول وزملائه ، يمكن أن يدور هذا الاستقطاب عن طريق مجال من المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة أو بعض الجسيمات الجديدة تمامًا. مثل هذا المجال من شأنه أن يتسبب في انتقال فوتونات ذات استقطابات مختلفة بسرعات مختلفة وتدوير الاستقطاب الصافي للضوء ، وهي خاصية تُعرف باسم "الانكسار" التي تشترك فيها بلورات معينة ، مثل تلك التي تمكّن شاشات LCD. في عام 2020 ، فريق كوماتسو ذكرت العثور دوران ضئيل في استقطاب CMB - حوالي 0.35 درجة. دراسة متابعة نشرت في العام الماضي عززت تلك النتيجة السابقة.

إذا كانت دراسة الاستقطاب أو نتيجة أخرى تم تأكيده فيما يتعلق بتوزيع المجرات ، فهذا يعني أن الكون لا يبدو متماثلًا في جميع الاتجاهات لجميع المراقبين. بالنسبة إلى Hill والعديد من الآخرين ، كانت كلتا النتيجتين محيرة ولكنهما لم يتم تحديدهما بعد. دراسات المتابعة جارية للتحقيق في هذه التلميحات واستبعاد الآثار المربكة المحتملة. اقترح البعض حتى مخصص المركبة الفضائية "علم الفلك الخلفي" من شأنه أن يفحص الظلال المختلفة.

قال كوماتسو: "منذ خمس إلى عشر سنوات ، اعتقد الناس أن علم الكونيات قد تحقق". "هذا يتغير الآن. نحن ندخل حقبة جديدة ".