سایه‌ها در انفجار بزرگ، ساختارهای کیهانی نامرئی را آشکار می‌کنند

تقریباً 400,000 سال پس از بیگ بنگ، پلاسمای اولیه جهان نوزاد به اندازه کافی سرد شد تا اولین اتم ها به هم ادغام شوند و فضایی را برای پرتوهای جاسازی شده ایجاد کرد تا آزادانه اوج بگیرند. آن نور - پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) - همچنان در آسمان در همه جهات جریان دارد و تصویری از جهان اولیه را پخش می‌کند که توسط تلسکوپ‌های اختصاصی گرفته شده و حتی در تلویزیون‌های اشعه کاتدی قدیمی در حالت ایستا آشکار شده است.

پس از اینکه دانشمندان در سال 1965 تشعشعات CMB را کشف کردند، تغییرات دمایی کوچک آن را به دقت ترسیم کردند. وضعیت دقیق کیهان زمانی که یک پلاسمای کف‌دار صرف بود. اکنون آن‌ها داده‌های CMB را برای فهرست‌بندی ساختارهای مقیاس بزرگی که طی میلیاردها سال با بلوغ کیهان توسعه یافته‌اند، تغییر کاربری می‌دهند.

این نور بخش عمده‌ای از تاریخ کیهان را تجربه کرد و با دیدن چگونگی تغییر آن، می‌توانیم درباره دوره‌های مختلف بیاموزیم. کیمی وو، کیهان شناس در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC.

در طول سفر نزدیک به 14 میلیارد ساله اش، نور CMB توسط تمام موادی که در راه آن وجود دارد، کشیده، فشرده و منحرف شده است. کیهان شناسان شروع به بررسی فراتر از نوسانات اولیه در نور CMB کرده و به آثار ثانویه ای که از برهم کنش با کهکشان ها و دیگر ساختارهای کیهانی بر جای می ماند، نگاه می کنند. از این سیگنال‌ها، آن‌ها دید واضح‌تری از توزیع ماده معمولی - هر چیزی که از قطعات اتمی تشکیل شده است - و ماده تاریک مرموز به دست می‌آورند. به نوبه خود، آن بینش ها به حل و فصل برخی از اسرار دیرپای کیهان شناسی و طرح برخی از اسرار جدید کمک می کنند.

ما متوجه می شویم که CMB تنها شرایط اولیه جهان را به ما نمی گوید. همچنین درباره خود کهکشان ها به ما می گوید امانوئل شان، همچنین کیهان شناس در SLAC. و این واقعاً قدرتمند است.»

جهانی از سایه ها

بررسی‌های نوری استاندارد، که نور ساطع شده از ستاره‌ها را ردیابی می‌کنند، بیشتر جرم زیرین کهکشان‌ها را نادیده می‌گیرند. این به این دلیل است که اکثریت قریب به اتفاق محتوای کل ماده کیهان برای تلسکوپ‌ها نامرئی است - یا به‌عنوان توده‌های ماده تاریک یا به‌عنوان گاز یونیزه پراکنده که کهکشان‌ها را پل می‌کند. اما هم ماده تاریک و هم گاز پراکنده آثار قابل تشخیصی بر بزرگنمایی و رنگ نور CMB ورودی به جا می گذارند.

Schaan گفت: "جهان واقعاً یک تئاتر سایه است که در آن کهکشان ها قهرمان هستند و CMB نور پس زمینه است."

بسیاری از بازیکنان سایه اکنون در حال تسکین هستند.

هنگامی که ذرات نور یا فوتون‌های CMB الکترون‌های موجود در گاز بین کهکشان‌ها را پراکنده می‌کنند، به انرژی‌های بالاتر برخورد می‌کنند. علاوه بر این، اگر آن کهکشان‌ها نسبت به جهان در حال انبساط در حرکت باشند، فوتون‌های CMB یک تغییر انرژی دوم را دریافت می‌کنند، بسته به حرکت نسبی خوشه، به بالا یا پایین.

این جفت اثر که به ترتیب به عنوان اثرات حرارتی و سینماتیکی Sunyaev-Zel'dovich (SZ) شناخته می شوند، بودند. ابتدا نظریه پردازی کرد در اواخر دهه 1960 و با دقت فزاینده ای در دهه گذشته شناسایی شده اند. جلوه‌های SZ در کنار هم، علامت مشخصه‌ای را به جا می‌گذارند که می‌توان آن را از تصاویر CMB حذف کرد و به دانشمندان اجازه می‌دهد مکان و دمای همه مواد معمولی در جهان را نقشه‌برداری کنند.

در نهایت، اثر سومی که به عنوان عدسی گرانشی ضعیف شناخته می‌شود، مسیر نور CMB را در حین حرکت در نزدیکی اجسام عظیم، منحرف می‌کند و CMB را طوری منحرف می‌کند که گویی از طریق یک لیوان شراب دیده می‌شود. بر خلاف اثرات SZ، عدسی به همه مواد حساس است - تاریک یا غیره.

در مجموع، این اثرات به کیهان شناسان اجازه می دهد تا ماده معمولی را از ماده تاریک جدا کنند. سپس دانشمندان می توانند این نقشه ها را با تصاویری از بررسی های کهکشانی برای سنجش فواصل کیهانی و حتی ردیابی تشکیل ستاره.

In همراه و همدم اوراق در سال 2021، تیمی به رهبری Schaan و استفانیا آمودئواو که اکنون در رصدخانه نجومی استراسبورگ در فرانسه است، این رویکرد را عملی کرد. آنها داده های CMB گرفته شده توسط آژانس فضایی اروپا را بررسی کردند ماهواره پلانک و زمینی تلسکوپ کیهان شناسی آتاکاما، سپس در بالای آن نقشه ها یک بررسی نوری اضافی از نزدیک به 500,000 کهکشان قرار داد. این تکنیک به آن‌ها اجازه می‌داد هم‌ترازی ماده معمولی و ماده تاریک را اندازه‌گیری کنند.

تجزیه و تحلیل نشان داد که گاز منطقه آنقدر که بسیاری از مدل‌ها پیش‌بینی می‌کردند، شبکه ماده تاریک حامی خود را در آغوش نمی‌گیرد. در عوض، این نشان می‌دهد که انفجارهای ابرنواخترها و برافزایش سیاه‌چاله‌های پرجرم، گاز را از گره‌های ماده تاریک خود دور کرده و آن را به‌گونه‌ای پخش می‌کند که برای تلسکوپ‌های معمولی بسیار نازک و سرد است.

ردیابی آن گاز پراکنده در سایه های CMB به دانشمندان کمک کرده است تا به این به اصطلاح رسیدگی کنند مشکل باریون های از دست رفته. همچنین تخمین‌هایی برای قدرت و دمای انفجارهای پراکنده ارائه کرده است - داده‌هایی که دانشمندان اکنون از آنها برای اصلاح مدل‌های تکامل کهکشان‌ها و ساختار مقیاس بزرگ کیهان استفاده می‌کنند.

در سال‌های اخیر، کیهان‌شناسان از این واقعیت متحیر شده‌اند که توزیع مشاهده‌شده ماده در جهان مدرن نرم تر از آنچه تئوری پیش بینی می کند. اگر انفجارهای بازیافت گاز بین کهکشانی پرانرژی تر از آن چیزی باشد که دانشمندان تصور می کردند، همانطور که کار اخیر Schaan، Amodeo و دیگران به نظر می رسد نشان می دهد که این انفجارها می تواند تا حدی مسئول انتشار یکنواخت ماده در سراسر جهان باشد. کالین هیلکیهان شناس در دانشگاه کلمبیا که روی امضاهای CMB نیز کار می کند. در ماه های آینده، هیل و همکارانش در تلسکوپ کیهان شناسی آتاکاما قصد دارند نقشه به روز شده ای از سایه های CMB را با جهش قابل توجهی در پوشش و حساسیت آسمان پرده برداری کنند.

هیل گفت: «ما فقط شروع به خراش دادن سطح کارهایی که می‌توانید با این نقشه انجام دهید، کرده‌ایم. "این یک پیشرفت هیجان انگیز نسبت به هر چیزی است که قبلا آمده است. باورش سخت است که واقعی باشد.»

سایه های ناشناخته

CMB یک شواهد کلیدی بود که به ایجاد مدل استاندارد کیهان‌شناسی کمک کرد - چارچوب مرکزی که محققان برای درک منشاء، ترکیب و شکل جهان از آن استفاده می‌کنند. اما مطالعات نور پس‌زمینه CMB اکنون تهدیدی برای ایجاد حفره‌هایی در این داستان هستند.

گفت: «این پارادایم واقعاً تا همین اواخر از آزمایش اندازه‌گیری‌های دقیق جان سالم به در برد ایچیرو کوماتسوکیهان شناس در موسسه ماکس پلانک برای اخترفیزیک که برای ایجاد این نظریه به عنوان عضوی از کاوشگر ناهمسانگردی ریز موج ویلکینسون، که CMB را بین سال های 2001 تا 2010 نقشه برداری کرد، کار کرد. "

در دو سال گذشته، کوماتسو و همکارانش در حال بررسی نکاتی درباره یک شخصیت جدید در صحنه تئاتر سایه بودند. سیگنال در قطبش یا جهت گیری امواج نور CMB ظاهر می شود، که مدل استاندارد کیهان شناسی می گوید باید در سفر امواج در سراسر جهان ثابت بماند. اما، همانطور که نظریه پرداز سه دهه پیش توسط شان کارول و همکارانش، این قطبش می‌تواند توسط میدانی از ماده تاریک، انرژی تاریک یا ذره‌ای کاملاً جدید بچرخد. چنین میدانی باعث می‌شود فوتون‌هایی با قطبش‌های مختلف با سرعت‌های متفاوتی حرکت کنند و قطبش خالص نور را بچرخانند، خاصیتی که به نام «شکست دوگانه» شناخته می‌شود و کریستال‌های خاصی مانند بلورهایی که صفحه‌های LCD را فعال می‌کنند، مشترک است. در سال 2020، تیم کوماتسو یافته را گزارش کرد یک چرخش کوچک در قطبش CMB - حدود 0.35 درجه. مطالعه بعدی سال گذشته منتشر شد آن نتیجه قبلی را تقویت کرد.

اگر مطالعه پلاریزاسیون یا نتیجه دیگری مربوط به توزیع کهکشان ها تایید شده است، به این معنی است که جهان در همه جهات برای همه ناظران یکسان به نظر نمی رسد. برای هیل و بسیاری دیگر، هر دو نتیجه وسوسه انگیز هستند اما هنوز قطعی نیستند. مطالعات بعدی برای بررسی این نکات و رد کردن اثرات مخدوش کننده احتمالی در حال انجام است. برخی حتی پیشنهاد اختصاص داده اند فضاپیمای "نجوم نور پس زمینه". که بیشتر سایه های مختلف را بازرسی می کند.

کوماتسو گفت: "پنج تا ده سال پیش، مردم فکر می کردند کیهان شناسی انجام شده است." اکنون این در حال تغییر است. ما وارد دوران جدیدی می شویم.»