29.4: خلفية الميكروويف الكونية
- Page ID
- 197693
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- اشرح لماذا يمكننا مراقبة الشفق للكون الحار المبكر
- ناقش خصائص هذا الشفق كما نراه اليوم، بما في ذلك متوسط درجة الحرارة وحجم تقلبات درجات الحرارة
- وصف الأكوان المفتوحة والمسطحة والمنحنية وشرح نوع الكون الذي تدعمه الملاحظات
- لخص معرفتنا الحالية بالخصائص الأساسية للكون بما في ذلك عمره ومحتوياته
يعتمد وصف الدقائق القليلة الأولى من الكون على الحسابات النظرية. ومع ذلك، من الأهمية بمكان أن تكون النظرية العلمية قابلة للاختبار. ما هي التوقعات التي تصنعها؟ وهل تظهر الملاحظات أن هذه التنبؤات دقيقة؟ أحد نجاحات نظرية الدقائق القليلة الأولى من الكون هو التنبؤ الصحيح بكمية الهيليوم في الكون.
تنبؤ آخر هو أن حدثًا مهمًا في تاريخ الكون حدث بعد حوالي 380،000 سنة من الانفجار الكبير. لاحظ العلماء بشكل مباشر كيف كان الكون في هذه المرحلة المبكرة، وتقدم هذه الملاحظات بعضًا من أقوى الدعم لنظرية الانفجار العظيم. لمعرفة ماهية هذا الإنجاز، دعونا نلقي نظرة على النظرية التي تخبرنا بما حدث خلال مئات الآلاف من السنين الأولى بعد الانفجار الكبير.
اكتمل اندماج الهيليوم والليثيوم عندما كان عمر الكون حوالي 4 دقائق. ثم استمر الكون في التشابه مع الجزء الداخلي للنجم من بعض النواحي لبضع مئات الآلاف من السنين. وظلت ساخنة وغير شفافة، مع انتشار الإشعاع من جسيم إلى آخر. كان الجو لا يزال حارًا جدًا بالنسبة للإلكترونات حتى «تستقر» وتصبح مرتبطة بنواة معينة؛ هذه الإلكترونات الحرة فعالة بشكل خاص في تشتت الفوتونات، وبالتالي ضمان عدم وصول أي إشعاع بعيدًا جدًا في الكون المبكر دون تغيير مساره. بطريقة ما، كان الكون مثل حشد هائل بعد حفلة موسيقية شعبية مباشرة؛ إذا انفصلت عن صديق، حتى لو كان يرتدي زرًا وامضًا، فمن المستحيل أن ترى من خلال الحشد الكثيف اكتشافه. فقط بعد انتهاء الحشد يكون هناك مسار للضوء من زره للوصول إليك.
يصبح الكون شفافًا
لم تتمكن الإلكترونات والنواة من الاندماج لتكوين ذرات مستقرة من الهيدروجين والهيليوم (الشكل في القسم السابق) إلا بعد مرور بضع مئات الآلاف من السنين على الانفجار العظيم، عندما انخفضت درجة الحرارة إلى حوالي 3000 كلفن وكثافة النوى الذرية إلى حوالي 1000 لكل سنتيمتر مكعب.\(29.3.4\) مع عدم وجود إلكترونات حرة لتشتت الفوتونات، أصبح الكون شفافًا لأول مرة في التاريخ الكوني. من الآن فصاعدًا، تفاعلت المادة والإشعاع بشكل أقل تكرارًا؛ نقول إنهم انفصلوا عن بعضهم البعض وتطوروا بشكل منفصل. فجأة، يمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي أن ينتقل حقًا، وهو ينتقل عبر الكون منذ ذلك الحين.
اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية
إذا كان نموذج الكون الموصوف في القسم السابق صحيحًا، فعندئذٍ - عندما ننظر بعيدًا إلى الخارج في الكون وبالتالي بعيدًا في الزمن - يجب أن يظل «الشفق» الأول للكون الحار المبكر قابلاً للاكتشاف. ستكون الملاحظات عليه دليلًا قويًا جدًا على أن حساباتنا النظرية حول كيفية تطور الكون صحيحة. كما سنرى، اكتشفنا بالفعل الإشعاع المنبعث في وقت فصل الفوتون هذا، عندما بدأ الإشعاع يتدفق بحرية عبر الكون دون التفاعل مع المادة (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
كان اكتشاف هذا الشفق حادثًا في البداية. في أواخر الأربعينيات، أدرك رالف ألفر وروبرت هيرمان، بالعمل مع جورج غامو، أنه قبل أن يصبح الكون شفافًا، لا بد أنه كان يشع مثل الجسم الأسود عند درجة حرارة حوالي 3000 كلفن - درجة الحرارة التي يمكن أن تبدأ عندها ذرات الهيدروجين في التكون. إذا تمكنا من رؤية هذا الإشعاع بعد تشكل الذرات المحايدة مباشرة، لكان يشبه الإشعاع الصادر من نجم محمر. كان الأمر كما لو أن كرة نارية عملاقة ملأت الكون كله.
ولكن كان ذلك قبل ما يقرب من 14 مليار سنة، وفي هذه الأثناء، زاد حجم الكون ألف مرة. أدى هذا التمدد إلى زيادة الطول الموجي للإشعاع بعامل 1000 (انظر الشكل\(29.2.6\) في القسم 29.2). وفقًا لقانون فيينا، الذي يربط الطول الموجي ودرجة الحرارة، أدى التمدد في المقابل إلى خفض درجة الحرارة بعامل 1000 (انظر الفصل الخاص بالإشعاع والطياف).
توقع ألفر وهيرمان أن التوهج المنبعث من كرة النار يجب أن يكون الآن عند الأطوال الموجية الراديوية ويجب أن يشبه الإشعاع الصادر من جسم أسود عند درجة حرارة أعلى ببضع درجات فقط من الصفر المطلق. نظرًا لأن كرة النار كانت موجودة في كل مكان في جميع أنحاء الكون، فإن الإشعاع المتبقي منها يجب أن يكون أيضًا في كل مكان. إذا كانت أعيننا حساسة للأطوال الموجية الراديوية، فستبدو السماء بأكملها متوهجة بشكل ضعيف جدًا. ومع ذلك، لا تستطيع أعيننا الرؤية بهذه الأطوال الموجية، وفي الوقت الذي قام فيه ألفر وهيرمان بالتنبؤ، لم تكن هناك أدوات يمكنها اكتشاف التوهج. على مر السنين، تم نسيان توقعاتهم.
في منتصف الستينيات، في هولمدل بولاية نيو جيرسي، قام أرنو بينزياس وروبرت ويلسون من مختبرات بيل التابعة لشركة AT&T ببناء هوائي دقيق للميكروويف (الشكل\(\PageIndex{2}\)) لقياس المصادر الفلكية، بما في ذلك بقايا السوبرنوفا مثل كاسيوبيا A (انظر الفصل الخاص بموت النجوم). لقد تعرضوا لبعض الضوضاء غير المتوقعة في الخلفية، تمامًا مثل الكهرباء الساكنة الخافتة على الراديو، والتي لم يتمكنوا من التخلص منها. الشيء المحير في هذا الإشعاع هو أنه يبدو أنه يأتي من جميع الاتجاهات في وقت واحد. هذا أمر غير معتاد جدًا في علم الفلك: ففي النهاية، فإن معظم الإشعاع له اتجاه محدد حيث يكون أقوى - اتجاه الشمس، أو بقايا السوبرنوفا، أو قرص درب التبانة، على سبيل المثال.
اعتقد بينزياس وويلسون في البداية أن أي إشعاع يبدو أنه يأتي من جميع الاتجاهات يجب أن ينشأ من داخل التلسكوب، لذلك قاموا بتفكيك كل شيء للبحث عن مصدر الضوضاء. حتى أنهم وجدوا أن بعض الحمام قد تجثم داخل الهوائي الكبير على شكل قرن وترك (كما قال بنزياس بدقة) «طبقة من مادة بيضاء لزجة وعازلة تغطي الجزء الداخلي من الهوائي». ومع ذلك، لم يفعل العلماء شيئًا يمكن أن يقلل إشعاع الخلفية إلى الصفر، وقد تقبلوا على مضض أنه يجب أن يكون حقيقيًا، ويجب أن يأتي من الفضاء.
لم يكن بينزياس وويلسون من علماء الكونيات، ولكن عندما بدأوا في مناقشة اكتشافهم المحير مع علماء آخرين، تم الاتصال بهم بسرعة مع مجموعة من علماء الفلك والفيزياء في جامعة برينستون (على بعد مسافة قصيرة بالسيارة). كان علماء الفلك هؤلاء - كما حدث - يعيدون حسابات ألفر وهيرمان منذ الأربعينيات وأدركوا أيضًا أن الإشعاع الناتج عن وقت الانفصال يجب أن يكون قابلاً للاكتشاف كضوء خافت لموجات الراديو. كانت الحسابات المختلفة لدرجة الحرارة المرصودة لهذه الخلفية الكونية الميكروية (CMB) 1 غير مؤكدة، ولكن جميعها توقعت أقل من 40 K.
وجد بينزياس وويلسون أن توزيع الكثافة عند أطوال موجات الراديو المختلفة يتوافق مع درجة حرارة 3.5 كلفن، وهذا بارد جدًا - أقرب إلى الصفر المطلق من معظم القياسات الفلكية الأخرى - وشهادة على مدى تمدد الفضاء (والموجات الموجودة فيه). تم تكرار قياساتهم بأدوات أفضل، مما يعطينا قراءة 2.73 K. لذا اقترب بنزياس وويلسون كثيرًا. عند تقريب هذه القيمة، يشير العلماء غالبًا إلى «خلفية الميكروويف ذات الثلاث درجات».
سرعان ما أكدت العديد من التجارب الأخرى على الأرض وفي الفضاء اكتشاف بينزياس وويلسون: كان الإشعاع يأتي بالفعل من جميع الاتجاهات (كان متناسقًا) وطابق تنبؤات نظرية الانفجار العظيم بدقة ملحوظة. لاحظ بنزياس وويلسون عن غير قصد التوهج من كرة النار البدائية. لقد حصلوا على جائزة نوبل لعملهم في عام 1978. وقبل وفاته في عام 1966، علم ليميتر أن «تألقه المختفي» قد تم اكتشافه وتأكيده.
يمكنك الاستمتاع بمشاهدة فيلم Three Degrees، وهو فيديو مدته 26 دقيقة من Bell Labs حول اكتشاف Penzias و Wilson لإشعاع الخلفية الكونية (مع لقطات تاريخية مثيرة للاهتمام).
خصائص خلفية الميكروويف الكونية
إحدى المشكلات التي أثارت قلق علماء الفلك هي أن بينزياس وويلسون كانا يقيسان إشعاع الخلفية الذي يملأ الفضاء عبر الغلاف الجوي للأرض. ماذا لو كان هذا الغلاف الجوي مصدرًا لموجات الراديو أو أثر بطريقة أو بأخرى على قياساتها؟ سيكون من الأفضل قياس شيء بهذه الأهمية من الفضاء.
تم إجراء القياسات الدقيقة الأولى لـ CMB باستخدام قمر صناعي يدور حول الأرض. أطلق عليه اسم مستكشف الخلفية الكونية (COBE)، وتم إطلاقه من قبل وكالة ناسا في نوفمبر 1989. أظهرت البيانات التي تلقتها بسرعة أن CMB تتطابق بشكل وثيق مع تلك المتوقعة من جسم أسود بدرجة حرارة 2.73 K (الشكل\(\PageIndex{3}\)). هذه هي النتيجة المتوقعة بالضبط إذا كان CMB بالفعل عبارة عن إشعاع أحمر اللون ينبعث من غاز ساخن ملأ كل الفضاء بعد وقت قصير من بدء الكون.
لذلك، فإن أول استنتاج مهم من قياسات CMB هو أن الكون الذي لدينا اليوم قد تطور بالفعل من حالة ساخنة وموحدة. توفر هذه الملاحظة أيضًا دعمًا مباشرًا للفكرة العامة بأننا نعيش في عالم متطور، حيث أن الكون اليوم أكثر برودة مما كان عليه في البداية.
اختلافات صغيرة في CMB
كان معروفًا حتى قبل إطلاق COBE أن CMB متناسق للغاية. في الواقع، يعد توحيده في كل اتجاه أحد أفضل التأكيدات للمبدأ الكوني - وهو أن الكون متجانس ومتشابه.
ومع ذلك، وفقًا لنظرياتنا، لم يكن من الممكن أن تكون درجة الحرارة موحدة تمامًا عند انبعاث CMB. بعد كل شيء، CMB هو الإشعاع الذي كان منتشرًا من الجسيمات في الكون في وقت الانفصال. إذا كان الإشعاع سلسًا تمامًا، فيجب أن تكون كل هذه الجسيمات قد تم توزيعها عبر الفضاء بالتساوي تمامًا. ومع ذلك، فإن تلك الجسيمات هي التي أصبحت جميع المجرات والنجوم (وطلاب علم الفلك) التي تعيش الآن في الكون. لو تم توزيع الجسيمات بسلاسة تامة، لم يكن بإمكانها تشكيل جميع الهياكل واسعة النطاق الموجودة الآن في الكون - المجموعات والمجموعات الفائقة للمجرات التي تمت مناقشتها في الفصول القليلة الماضية.
يجب أن يكون الكون المبكر قد شهد تقلبات صغيرة في الكثافة يمكن أن تتطور منها هذه الهياكل. كانت المناطق ذات الكثافة الأعلى من المتوسط ستجذب مادة إضافية وتنمو في النهاية إلى المجرات والمجموعات التي نراها اليوم. اتضح أن هذه المناطق الأكثر كثافة ستبدو لنا مناطق أكثر برودة، أي أنها ستكون درجات حرارة أقل من المتوسط.
يمكن تفسير سبب ارتباط درجة الحرارة والكثافة بهذه الطريقة. في وقت الانفصال، اضطرت الفوتونات الموجودة في جزء أكثر كثافة قليلاً من الفضاء إلى إنفاق بعض طاقتها للهروب من قوة الجاذبية التي يمارسها الغاز المحيط. عند فقدان الطاقة، أصبحت الفوتونات أكثر برودة قليلاً من متوسط درجة الحرارة الإجمالية في وقت الانفصال. على العكس من ذلك، فقدت الفوتونات التي كانت موجودة في جزء أقل كثافة قليلاً من الفضاء طاقة أقل عند مغادرتها مقارنة بالفوتونات الأخرى، وبالتالي تبدو أكثر سخونة قليلاً من المتوسط. لذلك، إذا كانت بذور المجرات الحالية موجودة في الوقت الذي انبعث فيه CMB، فيجب أن نرى بعض الاختلافات الطفيفة في درجة حرارة CMB عندما ننظر في اتجاهات مختلفة في السماء.
لقد اكتشف العلماء الذين يعملون مع البيانات من القمر الصناعي COBE بالفعل اختلافات طفيفة جدًا في درجات الحرارة - حوالي جزء واحد من كل 100000 - في CMB. تأتي المناطق ذات درجات الحرارة الأقل من المتوسط في مجموعة متنوعة من الأحجام، ولكن حتى أصغر المناطق الباردة التي اكتشفها COBE أكبر بكثير من أن تكون مقدمة لمجرة فردية، أو حتى مجموعة فائقة من المجرات. هذا لأن أداة COBE كانت تتمتع «برؤية ضبابية» (دقة ضعيفة) ويمكنها فقط قياس بقع كبيرة من السماء. كنا بحاجة إلى أدوات ذات «رؤية أكثر وضوحًا».
تم الحصول على القياسات الأكثر تفصيلاً لـ CMB بواسطة قمرين صناعيين تم إطلاقهما مؤخرًا من COBE. تم نشر نتائج أول هذه الأقمار الصناعية، وهي مركبة الفضاء Wilkinson Microwe Anisotropy Probe (WMAP)، في عام 2003. في عام 2015، أدت القياسات من القمر الصناعي بلانك إلى توسيع قياسات WMAP إلى دقة مكانية أعلى وضوضاء أقل (الشكل\(\PageIndex{4}\)).
تظهر الحسابات النظرية أن أحجام البقع الساخنة والباردة في CMB تعتمد على هندسة الكون وبالتالي على كثافته الإجمالية. (ليس من الواضح على الإطلاق أنه يجب القيام بذلك، ويستغرق الأمر بعض الحسابات الرائعة - بما يتجاوز مستوى النص الخاص بنا - لإجراء الاتصال، ولكن وجود مثل هذا الاعتماد مفيد جدًا.) تشمل الكثافة الكلية التي نناقشها هنا كلاً من مقدار الكتلة في الكون والكتلة المكافئة للطاقة المظلمة. أي أننا يجب أن نجمع الكتلة والطاقة معًا: المادة العادية والمادة المظلمة والطاقة المظلمة التي تسرع التوسع.
لمعرفة سبب نجاح هذا الأمر، تذكر (من الفصل الخاص بالثقوب السوداء والزمكان المنحني) أنه من خلال نظريته في النسبية العامة، أظهر أينشتاين أن المادة يمكن أن تنحني الفضاء وأن مقدار الانحناء يعتمد على كمية المادة الموجودة. لذلك، فإن الكمية الإجمالية للمادة في الكون (بما في ذلك المادة المظلمة ومساهمة المادة المكافئة بالطاقة المظلمة)، تحدد الهندسة الكلية للفضاء. تمامًا مثل هندسة الفضاء حول الثقب الأسود لها انحناء، لذلك قد يكون للكون بأكمله انحناء. دعونا نلقي نظرة على الاحتمالات (الشكل\(\PageIndex{5}\)).
إذا كانت كثافة المادة أعلى من الكثافة الحرجة، فسوف ينهار الكون في النهاية. في مثل هذا الكون المغلق، سيلتقي في النهاية شعاعان متوازيان مبدئيًا من الضوء. يشار إلى هذا النوع من الهندسة باسم الهندسة الكروية. إذا كانت كثافة المادة أقل من الحرجة، فسوف يتوسع الكون إلى الأبد. سيتباعد شعاعان متوازيان مبدئيًا من الضوء، ويشار إلى ذلك بالهندسة القطعية. في عالم ذي كثافة حرجة، لا يلتقي شعاعان ضوئيان متوازيان أبدًا، ويتوقف التوسع فقط في وقت ما بعيدًا بلا حدود في المستقبل. نشير إلى هذا على أنه كون مسطح، ونوع الهندسة الإقليدية التي تعلمتها في المدرسة الثانوية ينطبق على هذا النوع من الكون.
إذا كانت كثافة الكون تساوي الكثافة الحرجة، فيجب أن تكون البقع الساخنة والباردة في CMB عادةً حوالي درجة في الحجم. إذا كانت الكثافة أكبر من الكثافة الحرجة، فستكون الأحجام النموذجية أكبر من درجة واحدة. إذا كانت كثافة الكون أقل من الحرجة، فستظهر الهياكل أصغر. في الشكل\(\PageIndex{6}\)، يمكنك رؤية الاختلافات بسهولة. أكدت ملاحظات WMAP و Planck لـ CMB التجارب السابقة على أننا نعيش بالفعل في عالم مسطح ذو كثافة حرجة.
تعطينا الأرقام الرئيسية من تحليل بيانات بلانك أفضل القيم المتاحة حاليًا لبعض الخصائص الأساسية للكون:
- عمر الكون: 13.799 ± 0.038 مليار سنة (ملاحظة: هذا يعني أننا نعرف عمر الكون في غضون 38 مليون سنة. مذهل!)
- ثابت هابل: 67.31 ± 0.96 كيلومتر/ثانية/مليون قطعة
- نسبة محتوى الكون التي تمثل «الطاقة المظلمة»: 68.5٪ ± 1.3٪
- نسبة محتوى الكون الذي هو مادة: 31.5٪ ± 1.3٪
لاحظ أن هذه القيمة لثابت هابل أصغر قليلاً من قيمة 70 كيلومترًا/ثانية/مليون فرسخ التي اعتمدناها في هذا الكتاب. في الواقع، القيمة المشتقة من قياسات التحولات الحمراء هي 73 كيلومترًا/ثانية/مليون فرسخ. إن علم الكونيات الحديث دقيق للغاية هذه الأيام لدرجة أن العلماء يعملون بجد لحل هذا التناقض. حقيقة أن الفرق بين هذين القياسين المستقلين صغير جدًا هو في الواقع إنجاز رائع. قبل بضعة عقود فقط، كان علماء الفلك يتجادلون حول ما إذا كان ثابت هابل يبلغ حوالي 50 كيلومترًا/ثانية/مليون فرسخ أو 100 كيلومتر/ثانية/مليون فرسخ.
يُظهر تحليل بيانات بلانك أيضًا أن المادة العادية (البروتونات والنيوترونات بشكل أساسي) تشكل 4.9٪ من الكثافة الكلية. تشكل المادة المظلمة بالإضافة إلى المادة العادية ما يصل إلى 31.5٪ من الكثافة الكلية. تساهم الطاقة المظلمة بنسبة 68.5٪ المتبقية. كان عمر الكون عند الانفصال - أي عندما انبعث CMB - 380،000 عام.
ربما تكون النتيجة الأكثر إثارة للدهشة من القياسات عالية الدقة بواسطة WMAP والقياسات عالية الدقة من Planck هي عدم وجود مفاجآت. ظل نموذج علم الكونيات الذي يحتوي على مادة عادية تبلغ حوالي 5٪، والمادة المظلمة بحوالي 25٪، والطاقة المظلمة حوالي 70٪ منذ أواخر التسعينيات عندما أجبر علماء الكونيات على السير في هذا الاتجاه بواسطة بيانات المستعرات الأعظمية. بعبارة أخرى، الكون الغريب جدًا الذي نصفه، حيث يتكون حوالي 5٪ فقط من محتوياته من أنواع المواد التي نعرفها هنا على الأرض، يبدو حقًا أنه الكون الذي نعيش فيه.
بعد انبعاث CMB، استمر الكون في التوسع والتهدئة. بحلول 400 إلى 500 مليون سنة بعد الانفجار العظيم، تشكلت النجوم والمجرات الأولى بالفعل. في أعماق الأجزاء الداخلية للنجوم، تم إعادة تسخين المادة، وتم إشعال التفاعلات النووية، وبدأ التوليف التدريجي للعناصر الثقيلة التي ناقشناها طوال هذا الكتاب.
نختتم هذه الجولة السريعة لنموذجنا للكون المبكر بتذكير. يجب ألا تفكر في الانفجار العظيم على أنه انفجار محلي في الفضاء، مثل نجم متفجر. لم تكن هناك حدود ولم يكن هناك موقع واحد وقع فيه الانفجار. لقد كان انفجارًا للفضاء (والوقت والمادة والطاقة) حدث في كل مكان في الكون. كل المواد والطاقة الموجودة اليوم، بما في ذلك الجسيمات التي صنعت منها، جاءت من الانفجار الكبير. لقد كنا، وما زلنا، في خضم الانفجار الكبير؛ كل شيء يحيط بنا.
المفاهيم الأساسية والملخص
عندما أصبح الكون باردًا بما يكفي لتكوين ذرات هيدروجين محايدة، أصبح الكون شفافًا للإشعاع. اكتشف العلماء إشعاع خلفية الميكروويف الكونية (CMB) من هذا الوقت خلال الكون الحار المبكر. تُظهر القياسات باستخدام القمر الصناعي COBE أن CMB يعمل كجسم أسود بدرجة حرارة 2.73 K. تظهر لنا التقلبات الصغيرة في CMB بذور الهياكل واسعة النطاق في الكون. تظهر القياسات التفصيلية لهذه التقلبات أننا نعيش في عالم ذو كثافة حرجة وأن الكثافة الحرجة تتكون من 31٪ من المادة، بما في ذلك المادة المظلمة، و 69٪ من الطاقة المظلمة. تشكل المادة العادية - أنواع الجسيمات الأولية التي نجدها على الأرض - حوالي 5٪ فقط من الكثافة الحرجة. تشير قياسات CMB أيضًا إلى أن الكون يبلغ من العمر 13.8 مليار سنة.
الحواشي
1 تذكر أن الموجات الدقيقة موجودة في المنطقة الراديوية من الطيف الكهرومغناطيسي.
مسرد المصطلحات
- خلفية الميكروويف الكونية (CMB)
- إشعاع الميكروويف القادم من جميع الاتجاهات وهو الشفق الأحمر المتجه إلى اللون الأحمر للانفجار العظيم
- الكون المسطح
- نموذج للكون ذو كثافة حرجة وتكون فيه هندسة الكون مسطحة، مثل ورقة
- وقت فصل الفوتون
- عندما بدأ الإشعاع يتدفق بحرية عبر الكون دون التفاعل مع المادة