في مجال علم الكونيات ، عادة ما يتم تغطية الأسئلة المثيرة للاهتمام بشكل جيد في الأوراق العلمية. إن كشف أسرار الطاقة المظلمة ، مصدر التوسع المتسارع للكون ، هو أحد أكبر أسرار العلم الحديث. المادة المظلمة ، الجسيمات التي يمكن أن تفسر العدد الكبير من غرائب الكون التي يمكن ملاحظتها ، لم تعط بعد للعلماء الباحثين عن دليل مباشر على وجودها. فيزياء الثقب الأسود ، مع مفارقاته في انحناء المكان والزمان والاهتمام الأخير بفضل الأفلام الرائجة ، فإن Interstellar على استعداد دائمًا لإثارة الإعجاب.

يتم تطوير جميع مجالات البحث هذه بنشاط من قبل المجتمع الكوني ، وليس فقط المفاهيم التي تجذب انتباه الأشخاص الذين ليسوا مرتبطين بالعلماء. ولكن إذا قمت بزيارة جامعة يعمل فيها علماء الكون ، أو مؤتمر حول علم الكونيات ، فستسمع تقارير عن مجالات أخرى مثيرة للاهتمام في علمنا ، وتوسيع المعرفة العلمية ، من نظريات التضخم إلى اكتشاف موجات الجاذبية وغيرها. في القصص غير الروائية ، يتم إيلاء القليل من الاهتمام لهم ، عند مقارنتها بـ "الثلاثة الكبار": المادة المظلمة ، والطاقة المظلمة ، وفيزياء الثقب الأسود. أود أن أصف مجالين يشكلان جزءًا من علم الكونيات ويستحقان نفس الاهتمام: فهم طبيعة الأشعة الكونية من الطاقات الفائقة ووضع علامة على الكون في العصور المظلمة.

أشعة كونية فائقة الطاقة

يتم قصف الغلاف الجوي للأرض باستمرار بواسطة جسيمات من جميع الاتجاهات في الفضاء. هذه الجسيمات ليست مثل النيازك أو الحطام الفضائي ، ولكنها جسيمات منفصلة أو نويات للذرات. ولكن بصرف النظر عن ذلك ، لا يوجد شيء معروف عنها ، لأننا لا نقيس الأشعة الكونية مباشرة. عندما يدخل شعاع في الغلاف الجوي ، فإنه يتصادم مع جزيئاته. هذا يتسبب في تفاعل تسلسلي للجسيمات الثانوية ، التي تقع على مساحة سطح كبيرة إلى حد ما - ما يسمى الأمطار الجوية الواسعة [الدش الهوائي]. قمنا ببناء كاشف لمثل هذا الدش في مساحة 2590 كيلومتر مربع. - هذا مرصد. بيير أوجيه في مدينة ميندوزا الأرجنتينية. إن قدرات الكاشف قادرة على اكتشاف الجسيمات التي تقع فيها وإعادة تكوين الاتجاه والطاقة القادمة من الأشعة الكونية التي ولدت حدثًا معينًا.

يمكن أن تختلف طاقة الأشعة الكونية التي لاحظها مرصد أوجير بعشر مرات من الحجم. أعلى أشعة طاقة ، تسمى أشعة كونية فائقة الطاقة (UHECR) ، تحمل 1 جول من الطاقة لكل جسيم. حول هذا القدر من الطاقة التي تنفقها لرفع فنجان قهوة من الطاولة وأخذ رشفة ، في حين أن كل هذه الطاقة موجودة في جسيم واحد.

مثال آخر: في مصادم الهادرون الكبير ، الأكبر والأقوى من تلك المبنية ، تعمل مع طاقات من 10 إلى ⁶ J. الطاقة التي يلاحظها UHECR أكبر مليون مرة.

المصادر المرصودة للأشعة الكونية (الدوائر السوداء). النقاط الحمراء - موقع نوى المجرة النشطة ، تعتبر مصادر UHECR.

هناك عدة مرات أشعة ذات طاقات منخفضة أكثر من تلك عالية - حوالي 10 ⁶ أشعة بمتوسط طاقة وحوالي 1 UHECR تظهر على كيلومتر مربع واحد في السنة . هذا أحد الأسباب التي تجعل من الصعب تحديد الاتجاه الدقيق الذي تأتي منه UHECRs - فهي نادرة جدًا. من الصعب أيضًا القول أنه يسرع هذه الأشعة إلى مثل هذه الطاقات. حتى الآن ، نحن نفكر في انفجارات السوبرنوفا ، ورابطات النجوم النيوترونية ، وتسريع المادة بالثقوب السوداء ، وانفجارات أشعة غاما ، وتفسيرات أخرى أكثر غرابة. لم يتم تأكيد أي من التفسيرات.

إشعاع بطول 21 سم

بعد ظهور إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف ، ظهرت قرون مظلمة في الكون . خلال هذه الفترة ، لم يكن هناك مادة مضيئة مشرقة فيها. لا توجد نجوم ، أو مجرات ، أو مستعرات أعظمية ، أو النجوم النجمية ، أو النجوم الزائفة - لا شيء ينبعث منه الضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية. باختصار ، لم يكن هناك ما يمكن النظر إليه من خلال التلسكوب.

لكن المادة العادية في شكل عناصر ضوء محايدة - بشكل رئيسي الهيدروجين - تصادمت وتراكمت. تحولت بعض الكتل إلى نجوم ومجرات ، وظلت كتل أخرى على شكل غاز مبعثر. في الوقت الحالي ، فإن أفضل طريقة لبناء خريطة لتوزيع المادة العادية وجمع الملاحظات التي تغذي نماذجنا لتطور الكون هي مراقبة كل ما يضيء. ولكن كيف تجمع المعلومات عن العصور المظلمة؟ ويبقى غير مكتشف ، ولا يمكن حتى الآن الوصول إليه في الوقت الذي لم تتجمع فيه المادة بعد في أشياء مضيئة.

في العصور المظلمة ، كانت هناك مناطق ذات كثافة متزايدة (زرقاء) ومخفضة (سوداء) للمادة ، ولكن لم تضاءها نجوم

إحدى الطرق الواعدة لدراسة العصور المظلمة هي قياس انتقالات 21 سم في الهيدروجين المحايد. يتكون الهيدروجين من بروتون واحد وإلكترون ، ولديهما دوران. يحدد الاتجاه المتبادل للفاتهم (سواء كانوا ينظرون في اتجاه واحد ، أو في الاتجاه المعاكس) حالة الطاقة للذرة. تؤدي السبينات أحادية الاتجاه إلى حالة طاقة أعلى قليلاً من السوائل متعددة الاتجاهات. تميل الأجسام إلى أدنى طاقات ، لذلك يمكن لذرة الهيدروجين ذات السبينات أحادية الاتجاه التحول تلقائيًا إلى حالة تكون السبينات متعددة الاتجاهات. بما أن هذا المستوى أقل ويجب الحفاظ على الطاقة ، ينبعث الفوتون في هذه العملية. الكمية الدقيقة للطاقة المنبعثة في هذه العملية معروفة ، وهي تتوافق مع الطول الموجي للفوتون 21.1 سم (التردد 1420.40575 ميجاهرتز). (خط راديو الهيدروجين المحايد ).

تعتمد توقعاتنا لسطوع إشعاع 21 سم على ما يحدث حول غيوم الهيدروجين المحايد ، وهذا يجعل هذا الإشعاع كاشفًا مذهلاً لمناطق مختلفة من الفيزياء. على سبيل المثال ، إذا بدأ نجم جديد بالتألق بالقرب ، فإننا نقيس مؤشرات معينة في طيف الإشعاع المناظر لوقت "تشغيل" النجم. لدينا الآن القليل من البيانات حول اللحظات الأولى لتكوين النجوم ، والتي بدأت تظهر في مكان ما بعد 400 مليون سنة من الانفجار العظيم ، وربما قبل ذلك بكثير. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد ملاحظة هذه الظواهر في الإجابة عن سؤال واحد في علم الكونيات: لماذا يكون كوننا متأينًا جدًا ، وهذا هو سبب وجود العديد من الذرات الموجبة الشحنة في سحب الغازات المرصودة مقارنة بعدد الذرات المحايدة. ويشير تشكيل KMFI إلى ذلكظهرت الذرات المحايدة في الكون في وقت مبكر جدًا ، لذا كان على شيء ما شحن غاز محايد. ما هو ، أين ومتى بدأ ، لا نعرف حتى الآن.

عظيم! دعونا نقيس كل موجات الضوء 21 سم وسيكون الجميع سعداء! لكنها ليست بهذه البساطة. نحن نعلم عن وقت انبعاث فوتون معين على وجه الخصوص من خلال الانزياح الأحمر. مع توسع الفضاء ، تزداد أطوال الفوتونات التي تطير فيه. لذلك ، فإن الفوتون 21 سم المنبعث قبل 13 مليار سنة سيكون له طول موجي أطول من المليار المنبعث قبل مليار سنة ، لأن الفوتون الأول شهد 12 مليار سنة من تمدد الكون. لكننا نعرف بالضبط كيف نحسب طول الإزاحة للفوتون المنبعث ، لذلك نحن نعرف من أي عصر أتى.

عند مراقبة خط راديو 21 سم ، هناك عائقان رئيسيان يحاول العلماء تجاوزهما. بالنسبة للفوتونات المنبعثة في العصور المظلمة ، أدى الانزياح الأحمر إلى تمدد الموجة إلى متر واحد. بما أن الطول الموجي يتناسب عكسياً مع التردد ، يمكن حساب أن ترددهم سيكون في منطقة 1 جيجا هرتز. عند هذا التردد تنبعث محطات راديو FM التي تستمع إليها في طريقك للعمل. تغسل الإشارات الراديوية الناتجة عن الإنسان جميع الإشارات الراديوية الكونية ، لذلك يجب أن تعمل المراصد مقاس 21 سم إما في أماكن الصمت الراديوي أو في الفضاء [ في الأصل ، لسبب ما ، على الرغم من أن تردد موجات العداد سيكون في الواقع في منطقة 300 ميجاهرتز ، وسيعمل الراديو بترددات حوالي 100 ميجا هرتز - تقريبا.]. أحد أفضل الأماكن لمثل هذا المرصد سيكون الجزء الخلفي من القمر - الدوران المتزامن يخفيه عن الأرض ويوفر حماية مستمرة من البث الإذاعي.

لكن على الأرض ، كل شيء أكثر تعقيدًا. إذا لاحظت ضوءًا مرئيًا من خلال التلسكوب ، فعندئذ من أجل عزل نفسك عن الضوء الذي يزعجك ، تحتاج إلى الانتقال إلى الظل. للبحث عن الأماكن المظلمة ، يمكنك استخدام انحناء الأرض - أي بالابتعاد عن المدن الكبيرة حتى لا تكون مرئية للأفق ، ستغطيها الأرض منها. ولكن مع هذا التردد اللاسلكي ، لا يعمل هذا الرقم. يعكس الجزء العلوي من الغلاف الجوي هذه الموجات الراديوية بشكل مثالي ، لذلك حتى إخفاء مصدرها خارج الأفق لن يساعد. تقوم إحدى تجارب قياس شدة العصور المظلمة التي يبلغ طولها 21 سم ، SCI-HI ، حاليًا باختبار تصميمات الكاشفات في أحد أكثر المواقع الخالية من الراديو في جزيرة غوادالوبي في المكسيك.

علم الكونيات هو مجال أبحاث نشط وجذاب ، حتى بدون مراعاة مجالات العلوم الشائعة مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة والثقوب السوداء. الموضوعان الموصوفان في المقالة يفتحان فقط أسئلة عميقة يبحث عنها علماء الكون عن إجابات. بما أن وصف الأخبار العلمية عادة ما يتم تزيينه بنتائج أو استنتاجات حية ، في بعض الأحيان يبدو أننا وجدنا تقريبًا إجابات على الأسئلة الرئيسية الأخيرة حول تطور الكون. لكننا نقف فقط عند الجرف ، وننظر إلى الوادي للحدود الجديدة لعلم الكونيات ، التي بدأنا دراستها للتو ، في انتظار أن تعتاد أعيننا عليها.

الفيزياء في حدود الكون

أشعة كونية فائقة الطاقة

إشعاع بطول 21 سم

More articles: