צללים במפץ הגדול זוהר לאחר חושפים מבנים קוסמיים בלתי נראים

כמעט 400,000 שנה לאחר המפץ הגדול, הפלזמה הקדומה של יקום התינוקות התקררה מספיק כדי שהאטומים הראשונים יתלכדו, מה שפינה מקום לקרינה המוטבעת להמריא לחופשי. האור הזה - רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) - ממשיך לזרום בשמיים לכל הכיוונים, משדר תמונת מצב של היקום המוקדם שנקלט על ידי טלסקופים ייעודיים ואפילו נחשף בסטטי בטלוויזיות ישנות עם קרני קתודיות.

לאחר שמדענים גילו את קרינת CMB ב-1965, הם מיפו בקפידה את וריאציות הטמפרטורה הזעירות שלה, שהציגו המצב המדויק של הקוסמוס כאשר זו הייתה פלזמה מקציפה בלבד. כעת הם מיישמים מחדש את נתוני CMB כדי לקטלג את המבנים בקנה מידה גדול שהתפתחו במשך מיליארדי שנים עם התבגרות היקום.

"האור הזה חווה חלק גדול מההיסטוריה של היקום, ועל ידי ראייתו כיצד הוא השתנה, נוכל ללמוד על תקופות שונות", אמר קימי וו, קוסמולוגית במעבדת האצה הלאומית של SLAC.

במהלך המסע שנמשך כמעט 14 מיליארד שנה, האור מה-CMB נמתח, סחוט והתעוות על ידי כל העניין שבדרכו. קוסמולוגים מתחילים להסתכל מעבר לתנודות הראשוניות באור CMB אל הטביעות המשניות שהותירו אינטראקציות עם גלקסיות ומבנים קוסמיים אחרים. מהאותות הללו, הם מקבלים מבט חד יותר על התפלגות החומר הרגיל - כל מה שמורכב מחלקים אטומיים - וגם החומר האפל המסתורי. בתורן, התובנות הללו עוזרות ליישב כמה תעלומות קוסמולוגיות ארוכות שנים ולהציב כמה חדשות.

"אנחנו מבינים שה-CMB לא מספר לנו רק על התנאים ההתחלתיים של היקום. זה גם מספר לנו על הגלקסיות עצמן", אמר עמנואל שאן, גם קוסמולוגית ב-SLAC. "וזה מסתבר כחזק מאוד."

יקום של צללים

סקרים אופטיים סטנדרטיים, העוקבים אחר האור הנפלט מכוכבים, משקיפים על רוב המסה הבסיסית של הגלקסיות. הסיבה לכך היא שהרוב המכריע של תכולת החומר הכוללת של היקום בלתי נראה לטלסקופים - מוסתר מחוץ לטווח הראייה כגושי חומר אפל או כגז מיונן מפוזר המגשר בין גלקסיות. אבל גם החומר האפל וגם הגז הפזור מותירים טביעות ניתנות לזיהוי על ההגדלה והצבע של אור ה-CMB הנכנס.

"היקום הוא באמת תיאטרון צללים שבו הגלקסיות הן הגיבורות, וה-CMB הוא התאורה האחורית", אמר שאן.

רבים משחקני הצללים נכנסים כעת להקלה.

כאשר חלקיקי אור, או פוטונים, מה-CMB מפזרים אלקטרונים בגז בין גלקסיות, הם נחבטים לאנרגיות גבוהות יותר. בנוסף, אם הגלקסיות הללו נמצאות בתנועה ביחס ליקום המתרחב, הפוטונים של CMB מקבלים שינוי אנרגיה שני, למעלה או למטה בהתאם לתנועה היחסית של הצביר.

צמד אפקטים זה, הידוע בהתאמה כאפקטים התרמיים והקינמטיים של Sunyaev-Zel'dovich (SZ), היו תאורטית ראשונה בסוף שנות ה-1960 והתגלו בדייקנות גוברת בעשור האחרון. יחד, אפקטי ה-SZ משאירים חתימה אופיינית שניתן להקניט מתוך תמונות CMB, מה שמאפשר למדענים למפות את המיקום והטמפרטורה של כל החומר הרגיל ביקום.

לבסוף, אפקט שלישי המכונה עדשת כבידה חלשה מעוות את הנתיב של אור CMB כשהוא נע ליד עצמים מסיביים, ומעוות את ה-CMB כאילו הוא נצפה דרך בסיס כוס יין. שלא כמו אפקטי SZ, העדשה רגישה לכל חומר - כהה או אחר.

ביחד, השפעות אלו מאפשרות לקוסמולוגים להפריד בין החומר הרגיל לחומר האפל. אז מדענים יכולים לכסות את המפות האלה עם תמונות מסקרי גלקסיות כדי לאמוד מרחקים קוסמיים ואפילו לעקוב אחר היווצרות כוכבים.

In חבר ניירות בשנת 2021, צוות בראשות Schaan ו סטפניה אמודיאו, שנמצא כעת במצפה הכוכבים האסטרונומי של שטרסבורג בצרפת, הפעיל את הגישה הזו. הם בחנו את נתוני CMB שנלקחו על ידי סוכנות החלל האירופית לוויין פלאנק והקרקע טלסקופ קוסמולוגיה Atacama, ואז ערם על גבי המפות הללו סקר אופטי נוסף של כמעט 500,000 גלקסיות. הטכניקה אפשרה להם למדוד את היישור של חומר רגיל וחומר אפל.

הניתוח הראה שהגז של האזור לא חיבק את רשת החומר האפל התומכת שלו באותה הדוק כפי שחזו דגמים רבים. במקום זאת, הוא מצביע על כך שהתקיעות מסופרנובות וחורים שחורים סופר-מאסיביים שהצטברו אילצו את הגז הרחק מצמתי החומר האפל שלו, והפיצו אותו כך שהיה דק וקר מדי לזיהוי טלסקופים רגילים.

זיהוי הגז המפוזר בצללי CMB עזר למדענים לטפל עוד יותר במה שנקרא בעיית בריונים נעדרים. הוא גם סיפק הערכות לעוצמתם ולטמפרטורה של הפיצוצים המתפזרים - נתונים שמדענים משתמשים בהם כעת כדי לחדד את המודלים שלהם של התפתחות הגלקסיות והמבנה בקנה מידה גדול של היקום.

בשנים האחרונות, קוסמולוגים נדהמו מהעובדה שהתפוצה הנצפית של החומר ביקום המודרני היא חלק יותר ממה שהתיאוריה צופה. אם הפיצוצים המחזרים גז בין-גלקטי הם אנרגטיים יותר ממה שהמדענים שיערו, כפי שהעבודה האחרונה של Schaan, Amodeo ו- אחרים נראה כי פיצוצים אלה עשויים להיות אחראים חלקית לפיזור החומר באופן שווה יותר על פני היקום, אמר קולין היל, קוסמולוגית באוניברסיטת קולומביה שעובדת גם על חתימות CMB. בחודשים הקרובים, היל ועמיתיו בטלסקופ הקוסמולוגיה Atacama מתכננים לחשוף מפה מעודכנת של צללי CMB עם קפיצה בולטת הן בכיסוי השמים והן ברגישות.

"רק התחלנו לגרד את פני השטח של מה שאתה יכול לעשות עם המפה הזו," אמר היל. "זהו שיפור סנסציוני ביחס לכל מה שקרה קודם לכן. קשה להאמין שזה אמיתי".

גוונים של הלא נודע

ה-CMB היה עדות מרכזית שעזרה לבסס את המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה - המסגרת המרכזית שבה משתמשים החוקרים כדי להבין את המקור, ההרכב והצורה של היקום. אבל מחקרי התאורה האחורית של CMB מאיימים כעת לנעוץ חורים בסיפור הזה.

"הפרדיגמה הזו באמת שרדה את מבחן מדידות הדיוק - עד לאחרונה", אמר אייצ'ירו קומאטסו, קוסמולוגית במכון מקס פלנק לאסטרופיזיקה, שפעל לביסוס התיאוריה כחבר ב-Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, אשר מיפה את ה-CMB בין 2001 ל-2010. "ייתכן שאנו בצומת דרכים... של מודל חדש של היקום ."

בשנתיים האחרונות, Komatsu ועמיתיו חוקרים רמזים לדמות חדשה על במת תיאטרון הצללים. האות מופיע בקיטוב, או בכיוון, של גלי אור CMB, שהמודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה אומר שצריך להישאר קבוע במסע הגלים ברחבי היקום. אבל, כמו תיאורטית לפני שלושה עשורים על ידי שון קרול ועמיתיו, הקיטוב הזה יכול להיות מסובב על ידי שדה של חומר אפל, אנרגיה אפלה או חלקיק חדש לגמרי. שדה כזה יגרום לפוטונים של קיטובים שונים לנוע במהירויות שונות ולסובב את הקיטוב הנטו של האור, תכונה המכונה "התפרצות דו-פעמית" המשותפת לקריסטלים מסוימים, כמו אלה המאפשרים מסכי LCD. בשנת 2020, הצוות של Komatsu דיווח על ממצא סיבוב זעיר בקיטוב ה-CMB - בערך 0.35 מעלות. מחקר המשך שפורסם בשנה שעברה חיזק את התוצאה הקודמת.

אם מחקר הקיטוב או תוצאה נוספת הקשורים להפצת הגלקסיות אושרה, זה מרמז שהיקום אינו נראה זהה לכל הכיוונים לכל הצופים. עבור היל ורבים אחרים, שתי התוצאות מפתות אך עדיין לא סופיות. מחקרי המשך נערכים כדי לחקור את הרמזים הללו ולשלול השפעות מבלבלות אפשריות. חלקם אפילו הציעו ייעודי חללית "אסטרונומיה בתאורה אחורית". שיבדוק עוד יותר את הצללים השונים.

"לפני חמש עד 10 שנים, אנשים חשבו שהקוסמולוגיה נעשתה", אמר קומאטסו. "זה משתנה עכשיו. אנחנו נכנסים לעידן חדש".