کیهان شناس تجربی در حال شکار اولین طلوع خورشید | مجله کوانتا

سینتیا چیانگ همیشه می خواستم با دستانش کار کنم. اگرچه ممکن است خلاف واقع به نظر برسد، اما این چیزی است که او را به حوزه نسبتاً انتزاعی کیهان‌شناسی رصدی سوق داد: مطالعه منشأ و توسعه کیهان با جمع‌آوری داده‌های مربوط به سال‌های اولیه کیهان.

سفر او به این کار زمانی آغاز شد که برای تحصیلات تکمیلی درخواست داد و آزمایشگاهی را در زیرزمین موسسه فناوری کالیفرنیا بررسی کرد. او گفت: "من وارد شدم و همه این تجهیزات خلاء و همه این کرایواستات های سرگرم کننده را دیدم، و در یک ثانیه، "آره، این کاری است که می خواهم وقتی بزرگ شدم انجام دهم." «فکر می‌کنم سابقه تصمیم‌گیری‌های احتمالاً تکانشی و ناآگاهانه دارم. اما این یک تصمیم عالی بود.»

پس از اتمام دکترای خود، او بورسیه Dicke را در دانشگاه پرینستون دریافت کرد، جایی که او شروع به مطالعه پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) - تابش باقی‌مانده از انفجار بزرگ - به عنوان بخشی از تیم علمی تلسکوپ پلانک کرد. اما آزمایش‌های CMB (و تیم‌ها) بزرگ‌تر می‌شدند و چیانگ می‌خواست چیزی را مطالعه کند که به او امکان می‌داد تا خودش یک ساز بسازد.

چیانگ در حالی که می‌دانست دوباره با زندگی خود چه کند، یک سال را در قطب جنوب به عنوان یکی از دانشمندان "زمستانی" برای تلسکوپ قطب جنوب گذراند. زمانی که او آنجا بود، موقعیتی در آفریقای جنوبی باز شد، جایی که به زودی تلسکوپ رادیویی آرایه کیلومتر مربعی ساخته خواهد شد. او از امواج مایکروویو کیهانی به امواج رادیویی کیهانی چرخید. او گفت: "این یک طول موج بیشتر است." "چقدر ممکن است سخت باشد؟"

امروز، به عنوان دانشیار فیزیک در دانشگاه مک گیل، او ابزارهایی را می سازد، مستقر می کند و اجرا می کند که می تواند سیگنال های رادیویی را از دوره های مهم در جهان اولیه - عصر تاریک و طلوع کیهانی - تشخیص دهد. اولی زمان بسیار دوری است که جهان فقط دریایی از گاز هیدروژن خنثی بود. دومی کمی دیرتر زمانی که اولین ستاره ها روشن شدند. گرفتن نور از اولین طلوع خورشید کیهانی و تاریکی حتی قبل از طلوع آن چنان دشوار است که چیانگ و همکارانش باید به انتهای زمین بروند تا حتی امیدی به جدا کردن سیگنال های خود از بقیه کیهان درهم و برهم داشته باشند. (تلسکوپ فضایی جیمز وب و آینه چند وجهی آن نیز به این دوران اولیه خیره شده اند و سعی می کنند قدیمی ترین نور ستاره را ببینند.)

تاکنون، دانشمندان اندکی از دوران تاریک را دیده‌اند، و تنها یک تیم - به نام EDGES - (شاید) نشانه‌هایی از طلوع کیهانی را دیده‌اند. با این حال، نتایج آنها نیاز به تأیید یا رد یک ابزار دیگر دارد.

سازهایی مثل سازهایی که چیانگ روی آن ها کار می کند.

چیانگ وفادار به ریشه های خود، از ابزارهای دست ساز تیمش برای تماشای این دوران کیهانی باستانی استفاده می کند. او گفت: «هدف‌های علمی به طور کلی این سؤالات بزرگ در مورد چگونگی عملکرد جهان و سرنوشت آن هستند. اما آزمایش‌ها می‌توانند - اگر دقیقاً ساده نباشند - حداقل در مقیاس کوچک باشند.

کوانتوم با چیانگ در مورد گذشته دور کیهان، دشواری دانشمندان در سفر در زمان به آنجا، کار تیم او در مکان‌های دورافتاده، و اینکه چرا رازها بهترین بخش علم هستند، صحبت کرد. مصاحبه برای وضوح فشرده و ویرایش شده است.

بهترین و بدترین بخش سال شما در قطب جنوب چه بود؟

از لحظه ای که پا به قاره گذاشتم، احساس کردم به خانه برگشته ام.

نورهای جنوبی فوق العاده هستند. ممکن است بدترین روز دنیا را سپری کنید، اما تلسکوپ 15 دقیقه پیاده تا ایستگاه اصلی فاصله دارد. به محض اینکه در فریزر را پشت سرم بستم و چیزی جز تاریکی و نورهای جنوب بیرون نبود، همه چیز خوب بود. آن نمایش نور فقط برای شماست.

من همچنین واقعاً جامعه آنجا را دوست دارم. افراد تصادفی به طور تصادفی به آنجا نمی رسند. قطب جنوب یک فیلتر باند گذر بسیار باریک اعمال می کند.

وقتی صحبت از فیلترهای باریک شد، کیهان شناسی شما شامل جستجوی یک طول موج رادیویی خاص به نام خط 21 سانتی متری است. اون چیه؟

خط 21 سانتی متری یک گسیل رادیویی طبیعی است که از اتم های هیدروژن، که فراوان ترین عنصر در جهان هستند، می آید. شما می توانید تصور کنید که جهان پر از این گاز است که در یک رنگ یا طول موج خاص می درخشد. اما، مانند بقیه کیهان، گاز هیدروژن در حال دور شدن است. این حرکت نور را کشیده و طول موج آن را طولانی تر می کند. ما می دانیم که درخشش طبیعی هیدروژن - یا رنگ - چیست، بنابراین می دانیم که به دلیل سرعت دور شدن هیدروژن از ما، چه زمانی به رنگ های مختلف تغییر می کند. یا به طور معادل و مهمتر برای این آزمایش ها، چقدر دور است.

سپس می‌توانید یک تلسکوپ بسازید و رنگ خاصی را برای این تابش 21 سانتی‌متری هدف قرار دهید - چیزی که به یک دوره خاص در تاریخ کیهان، مانند عصر تاریک کیهانی، نقشه‌برداری می‌کند.

فقط با شماره گیری تلسکوپ خود به طول موج مناسب، می توانید هر بخشی از تاریخ کیهان را تنظیم کنید.

مانند یک ماشین زمان الکترومغناطیسی است.

اساسا.

بنابراین، پس از انفجار بزرگ، چگونه جهان به بخش هایی از تاریخ خود که ما آن را عصر تاریک و طلوع کیهانی می نامیم، پیشرفت کرد؟

بلافاصله پس از انفجار بزرگ، جهان به شدت داغ و متراکم بود، یک سوپ از ذرات.

به سرعت به جلو، و با انبساط جهان، سرد می شود و در نهایت به اندازه کافی سرد می شود تا اولین اتم های هیدروژن خنثی تشکیل شوند. و در آن نقطه، جهان تاریک می شود. و خیلی خسته کننده زیرا چیزی جز گاز وجود ندارد که بیشتر آن هیدروژن است. آن دوران تاریک است.

اما در این حمام گاز، برخی از مناطق کوچک کمی متراکم تر از بقیه هستند و مناطقی که بیش از حد متراکم هستند تحت تأثیر گرانش شروع به فروپاشی می کنند. در یک نقطه، به اندازه کافی ماده در حال فروپاشی است که اولین ستاره ها شروع به تشکیل می کنند. تولد اولین ستارگان به عنوان "سپیده دم کیهانی" شناخته می شود، و آنها کاملاً با ستارگانی که امروزه به دیدن آنها عادت کرده ایم متفاوت هستند. ما در حال تلاش برای یافتن دقیق چگونگی تکامل این اجرام هستیم و به تدریج بیشتر شبیه ستاره های امروزی شده اند.

این سنین را در آزمایشات رادیویی خود چگونه می بینید؟

در خط 21 سانتی‌متری، باید یک ویژگی جذب کوچک وجود داشته باشد - فرو رفتن در درخشش - مرتبط با دوران تاریکی. یک ویژگی تیز بزرگتر باید با طلوع کیهانی مرتبط باشد.

مردم چگونه این سیگنال ها را از سپیده دم اندازه گیری کرده اند؟ و کیهان شناسان دوست دارند از آنها چه چیزی به دست آورند؟

تنها دو آزمایش تا کنون اندازه گیری این دوره را انجام داده اند. یکی EDGES است که دمای آسمان را در فرکانس های مختلف اندازه گیری می کند. مثل این است که رادیو ماشین خود را بردارید و آن را همزمان روی همه ایستگاه ها تنظیم کنید و به هر چیزی که در حال پخش است گوش دهید.

EDGES به دنبال یک شیب کوچک در آن سیگنال است که نشان می دهد اولین ستاره ها روشن می شوند. بنابراین در قیاس رادیویی ماشین، شما باید در تمام ایستگاه‌ها به ایستگاه‌های ثابت گوش دهید، و تعداد انگشت شماری از ایستگاه‌های ساکت‌تر در وسط.

تیم EDGES فکر می کند که آن شیب را تشخیص داده اند در داده های آنها اگر این درست باشد، این اولین و تنها نگاه ما به طلوع کیهانی است. اگر متوجه شویم که سیگنال EDGES واقعی است، می توانیم به شهر برویم - ممکن است فیزیک جدیدی در آنجا وجود داشته باشد. اما می تواند یک اثر ابزاری باشد، و آزمایش دیگری، SARAS 3، اندازه گیری بسیار مشابهی را انجام داد چیزی ندید.

فریب دادن خود به اینکه دارید چیزی واقعی را می بینید، در حالی که می تواند مثلاً یک کابل شل باشد، آسان است. ما به آزمایش‌های دیگری برای سنجش نیاز داریم. از آنجایی که این داده‌ها در واقع تمام چیزی است که از دوران کیهانی داریم، و هنوز مطمئن نیستیم که چگونه آن را تفسیر کنیم، اصلاً چیز زیادی در مورد آن زمان نمی‌دانیم.

شما اتفاقاً چنین آزمایشی را انجام می دهید: PRIZM که مخفف "Probing Radio Intensity at high-Z from Marion" است. داستان اصلی آن پروژه چیست؟

این یک سواری وحشی است. PRIZM جانشین یک آزمایش قدیمی است که در حدود سال 2015 به یک سایت جدید نیاز داشت. در همان زمان، من و همکارم جان سیورز در اطراف آفریقای جنوبی پرواز می‌کردیم و مجله‌ای را خواندیم که این مکان به نام جزیره ماریون را توصیف می‌کرد، در میانه جایی در جنوب اقیانوس هند. واقعاً دور به نظر می رسید: 2,000 کیلومتر دور از هر چیزی. ما فکر کردیم که باید کاملاً بی صدا باشد - نه تداخل زیادی از سیگنال های رادیویی ساخت بشر. آنجا یک پایگاه تحقیقاتی و زیرساختی وجود داشت.

ما بودجه دریافت کردیم تا آزمایش را پایین بیاوریم. پس از آن سال اولیه، ما این ساز را به طور کامل بازسازی کردیم و آن را به عنوان PRIZM تناسخ کردیم.

بنابراین PRIZM چگونه کار می کند؟

PRIZM دو آنتن مستقل دارد که همزمان رصد می‌کنند، یکی در مرکز 70 مگاهرتز و دیگری در 100 مگاهرتز، که فرکانس‌های رادیویی بسیار پایینی هستند که انتظار دارید نور رادیویی بسیار کشیده از قسمت‌های اولیه جهان را ببینید. اولین ستاره ها روشن می شوند

اگر ویژگی‌های عجیب و غریبی در داده‌های خود مشاهده کنیم، و اگر مشخص شود که چیزی ناشی از ساز ما است و نه از فضا، انتظار داریم که فرکانس آن بین این دو ساز تغییر کند. اما اگر چیزی واقعی در آسمان است، باید بین این دو سازگار باشد.

نتایج تا کنون چگونه به نظر می رسد؟

داده ها به زیبایی تمیز هستند و ما چیزهای زیادی در دست داریم. ماریون به اندازه‌ای از سرزمین اصلی دور است که اساساً رادیو FM را نمی‌بینیم که فرکانس آن در مقابل سیگنال سحر کیهانی قرار دارد.

اما ما هنوز تکالیف زیادی برای درک تمام ویژگی‌های این ساز داریم.

و خود آنتن های PRIZM از عمر مفید خود گذشته است. آنها پنج سال است که بر روی ماریون کتک خورده اند، بنابراین در شکل خشن هستند. ما آزمایش را به پایان رساندیم و من باید چیز جدیدی بسازم.

جزیره ماریون چگونه است؟

معجزه است. یکی از زیباترین جاهایی است که تا به حال کار کرده ام. همچنین سخت ترین است. در مقایسه، قطب جنوب رنگ پریده است. باد و باران است، کمی بالاتر از یخبندان. اسپری نمک وجود دارد، بنابراین ماریون برای صبحانه فلز می خورد. بدست آوردن هر چیزی برای زنده ماندن در آنجا بسیار دشوار است.

ما آنتن‌های PRIZM خود را حدود چهار کیلومتر دورتر از پایگاه اصلی راه‌اندازی کردیم - یک ساعت پیاده‌روی به سمت محل کار و برگشتن به محل کار، از طریق زمین‌هایی که به‌ویژه قابل بخشش نیستند. منجلاب وجود دارد، سنگ های گدازه وجود دارد. اما ارزشش را دارد.

در همان جزیره، شما آزمایش دیگری به نام ALBATROS داشتید که دوران تاریکی را مورد مطالعه قرار داد. آن آزمایش چگونه آغاز شد؟

پس از نصب PRIZM، متوجه شدیم که ماریون این مکان فوق‌العاده برای نجوم با فرکانس پایین است. اینجا چه کار دیگری می توانیم بکنیم؟ قطعه دیگر قلمرو کاملاً ناشناخته، دوران تاریکی است که در فرکانس‌های 30 مگاهرتز و کمتر خود را نشان می‌دهد.

شما باید بتوانید نوسانات آن سیگنال را اندازه گیری کنید که حتی اطلاعات بیشتری در مورد منشا کیهان به شما می دهد تا آنچه ما از پس زمینه مایکروویو کیهانی به دست آورده ایم. CMB دو بعدی است زیرا خیلی سریع ایجاد شد، در حالی که دوران تاریکی برای مدت طولانی ادامه داشت و مشاهدات آنها می تواند دیدی سه بعدی از آنچه در آن میلیاردها سال پیش روی می داد به شما بدهد. این یک رویای 50 ساله است.

رویا الان کجاست؟ دانشمندان قبلاً در مورد عصر تاریک چه چیزی را مشاهده کرده اند؟

اساسا هیچی. کمترین فرکانس اندازه گیری شده تا به امروز در داده های دهه 2 حدود 70 مگاهرتز یا بیشتر است. پس از 50 سال هنوز هم این وضعیت هنر است. ما هنوز آنجا هستیم. در فرکانس‌های پایین، یونوسفر وارد می‌شود و مانع می‌شود.

قبل از اینکه دعایی برای بدست آوردن کیهان شناسی داشته باشیم، باید بفهمیم کهکشان راه شیری، درهم و برهمی در پیش زمینه ما، در این فرکانس ها چگونه به نظر می رسد و سپس آن را کم کنیم. برای این کار به یک تداخل سنج نیاز دارید - آنتن های متعدد با هم به عنوان یک ابزار یکپارچه بزرگ کار می کنند. هرچه آرایه شما بزرگتر باشد، وضوح تصویر ریزتر است.

ماریون مکانی ایده آل برای شروع این پروژه بود زیرا می توانستیم آنتن ها را در سراسر جزیره توزیع کنیم و کلبه هایی در امتداد محیط وجود دارد که مکان های بسیار مناسبی برای ایجاد پایگاه های عملیاتی هستند. این طرح اولیه بود. ما شروع به نصب چند آنتن نمونه اولیه کردیم تا ببینیم اوضاع چطور پیش می رود.

شما گفتید "طرح اصلی".

در اواسط پروژه، من از آفریقای جنوبی به کانادا، به دانشگاه مک گیل نقل مکان کردم. اولین کاری که کردم این بود که سعی کردم جایی رادیویی آرام در نزدیکی مونترال پیدا کنم. و معلوم شد که قطب شمال فوق العاده است و مک گیل یک ایستگاه تحقیقاتی در آن منطقه داشته است. ما در حال راه‌اندازی یک آرایه ALBATROS دیگر در آنجا هستیم، و بالاخره توانستیم سال گذشته برگردیم و دو ایستگاه خودمختار اول خود را پس از دو سال دست‌کاری به دلیل همه‌گیری کووید، نصب کنیم.

شرط می بندم که آسان نبود. آیا حکایت های مورد علاقه ای از زمان خود در مکان های دور افتاده روی زمین دارید؟

بدترین چیز در ماریون این بود که همه چیز را ضد موش کند. این چیزی نیست که من به عنوان یک فیزیکدان تجربی برای آن آماده شده باشم.

ما متوجه شدیم که پارچه توری فلزی از جوندگان جلوگیری می کند، بنابراین همه کابل های خود را در آن پیچیدیم.

قبل از اینکه به تمرین کابل کشی برویم، مقداری از توری سیمی را برداشتم و یک کیسه کوچک از آن درست کردم و یک کلوچه داخل آن گذاشتم و یک شب آن را گذاشتم. روز بعد، می‌توانستم آثار جویدن را ببینم، مثل اینکه موش‌ها سعی کرده‌اند وارد شوند، اما کوکی سالم بود. گفتم: "باشه، وسایل الکترونیکی ما امن خواهند بود."

 میزانی که ما مجبور بوده‌ایم در مورد انسان‌ها در مقابل حیات وحش در راه‌اندازی ابزارهایمان فکر کنیم - من چرخه‌های CPU بیشتری را بیش از آنچه که انتظار داشتم به آن اختصاص داده‌ام.

در قطب شمال، نیبل‌زن‌های کوچکی مانند لمینگ‌ها وجود دارند، اما نیش‌خورهای بزرگی مانند گرگ و روباه نیز وجود دارند که دندان‌های نیش دارند. بکوبید، ما هنوز هیچ فاجعه بزرگی نداشته ایم، اما فکر می کنم این فقط یک زمان است.

قبل از اینکه یک گرگ یک آنتن کامل را به خانه ببرد؟

که یک گاو مشک خواهد بود.

چه چیزی شما را برای مطالعه این بخش‌های تاریخ کیهان انگیزه می‌دهد؟

من عاشق این هستم که رازهایی در جهان هستی وجود دارد.

من جنبه روزمره را دوست دارم. وقتی به اسرار کیهان فکر نمی‌کنم، به این فکر می‌کنم که چگونه سازهایمان را زنده نگه داریم و چگونه از سرنگونی گاو مشک آنتن‌هایمان جلوگیری کنیم.