Geekly articles weekly

إشعاع بقايا ، الجزء 1: دليل على الانفجار الكبير

كيف يستمر إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف - التوهج المتبقي للانفجار الكبير - في إلقاء الضوء على ولادة عالمنا




أدى الإعلان عن نتائج BICEP2 ، التي أظهرت أول دليل على أن موجات الجاذبية يمكن أن تظهر في أوائل الكون ، إلى إثارة الاهتمام بعلم الكونيات بين العلماء وغيرهم. يمكن لموجات الجاذبية أن تستقطب KMFI ، التوهج المتبقي للانفجار الكبير ، بطريقة معينة ، وكانت إشارة الاستقطاب التي تم الكشف عنها بواسطة BICEP2 ، التي تقع في القطب الجنوبي. لكن أحدث البيانات جاءت من تلسكوب بلانك ، وبحكمها ، يمكن تفسير معظم نتائج BICEP2 ليس عن طريق موجات الجاذبية ، ولكن عن طريق الغبار القريب ، الذي يلاحظ KMFI المرصود.

نحتاج إلى الانتظار للحصول على بيانات إضافية ، سواء من العمل المشترك لـ BICEP2 و Planck ، ومن التجارب الأخرى ، من أجل تحديد نسبة الغبار الكوني المشغول في حساب موجات الجاذبية للبيانات. هناك شيء واحد واضح: مدونات العلوم والمواقع الإخبارية ستتابع الاكتشافات الجديدة. هذا النص هو محاولة لمساعدة مؤلفي المقالات المستقبلية حول البحث الجديد في KMFI-cosmology على دخول السياق ، بدءًا من أساسيات KMFI ، وكيف تشكلت وما يمكن أن تخبرنا به. سيكون الموضوع الرئيسي للمقال هو كثافة KMFI (نسميها درجة الحرارة) ، وفي المقالة التالية سأتحدث أكثر عن الاستقطاب.

القصة


أول اكتشاف لـ KMFI في عام 1964 حدث بالصدفة. عمل أرنو بنزيا وروبرت ويلسون على تجربة في مختبر بيل ، واستخدموا البالونات كعاكسات لنقل اتصالات الميكروويف بين نقطتين. للقيام بذلك ، كانوا بحاجة لمعرفة ما إذا كان أي ضجيج في الخلفية سيؤثر على قياساتهم. لقد عالجوا كل الضوضاء تقريبًا ، باستثناء شيء واحد: إشعاع ميكروويف متجانس عند 2.73 كلفن ، والذي ظهر ، كما اتضح لاحقًا ، بعد 380 ألف سنة من الانفجار العظيم.

منذ الاكتشاف (الذي حصل العلماء على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978) ، قامت العديد من التجارب على الأرض وفي الفضاء بقياس KMFI بدقة متزايدة. في عام 1992 ، أجرت تجربة مستكشف الخلفية الكونية (CoBE) الملاحظات الأولى للمخالفات في الإشعاع - تغيرات صغيرة في درجة الحرارة أصغر بمئة ألف مرة من متوسط ​​درجة الحرارة في الخلفية التي تبلغ 2.73 كلفن. درجات الحرارة في عام 2003 ، وفي عام 2013 أعطى Planck القياس الأكثر دقة حتى الآن. لا تزيد التجارب الجديدة من دقة قياسات درجة الحرارة فحسب ، بل تقلل أيضًا الأبعاد الزاوية للأخطاء.



ما هو KMFI؟


قبل تكوين KMFI ، كانت المكونات المعتادة للكون هي الضوء (الفوتونات) ، ونوى الهيدروجين والهيليوم ، والإلكترونات الحرة. (نعم ، لا تزال هناك النيوترينوات والمادة المظلمة ، ولكن حولها مرة أخرى). بما أن الإلكترونات الحرة مشحونة سلبًا ، فإنها تتفاعل مع الفوتونات في ما يسمى تشتت طومسون. إذا تقاطع الفوتون والإلكترون ، فإنهما يرتدان عن بعضهما البعض ، مثل كرات البلياردو. في ذلك الوقت ، كان للفوتونات طاقة عالية جدًا ، وكان متوسط ​​درجة حرارة الكون أكثر من 3000 كلف. أبقت درجة الحرارة هذه الإلكترونات في حالة حرة ، لأن طاقة الفوتون تجاوزت طاقة التأين للذرات: الطاقة اللازمة لطرد الإلكترون من الذرة. وبدلاً من أن تظل الإلكترونات متصلة بنوى موجبة الشحنة من الهيدروجين والهيليوم ، فإن الإلكترونات تقرع على الفور تقريبًا بواسطة الفوتونات.



يؤدي هذان التأثيران والفوتونات المشاركة في تأين الذرات والفوتونات التي تتفاعل مع الإلكترونات إلى عواقب مهمة. التردد العالي للتفاعلات يعني أن الفوتون لن يطير بعيدًا قبل أن يتصادم مع الإلكترون مرة أخرى ويغير اتجاهه. تخيل القيادة في الضباب الكثيف عندما تكون المصابيح الأمامية لمركبة أمامك غير مرئية ، لأن الضوء مشتت بواسطة جزيئات الماء. كان هذا هو الحال تمامًا في الكون قبل ظهور KMFI - تم امتصاص الضوء تمامًا بواسطة ضباب الإلكترونات الحرة (غالبًا ما يتحدثون عن الكون غير الشفاف). إن الجمع بين التعتيم وتشتت طومسون يمنح KMFI درجة حرارة موحدة في جميع الاتجاهات.



من المعروف أيضًا أنه يجب أن تكون هناك تقلبات صغيرة في منطقة درجة الحرارة الموحدة لـ KMFI ، حيث أن التردد العالي للتفاعلات يشير إلى وجود الفوتونات أينما وجدت المادة. ربما سمعت أن KMPI تعطينا معلومات حول محتوى المادة المظلمة في الكون ، أو أن الأماكن الباردة والساخنة من KMPI تتوافق مع مناطق أكثر أو أقل كثافة - وهذا هو السبب. لا تتفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية ، لذلك فهي قادرة على التجميع في كتل كثيفة ، في حين يتم احتجاز الفوتونات بواسطة الضباب من الإلكترونات الحرة. يجمع جاذبية كتل المادة المظلمة بين النوى والإلكترونات ، ومعها الفوتونات.

تخبرنا التقلبات في درجة حرارة الفوتون التي لاحظناها في KMFI مباشرة عن مكان وجود المادة قبل 13 مليار سنة. (وإذا لم تكن منبهرًا بأن علماء الكونيات تمكنوا من تسجيل KMFI ، فاعلم أن تقلبات درجات الحرارة الملحوظة أقل بـ 100.000 مرة من 2.73 كلفن - هذه هي ميكروكيلفين!)



في نفس الوقت ، كانت المساحة تتوسع وكانت موجات الفوتونات تتوسع. ترتبط طاقة الفوتون بطول موجتها ، وكلما طال الطول ، كلما قلت الطاقة. في النهاية ، يمتد التمدد للفوتونات بحيث تنخفض طاقتها عن طاقة التأين. وفي هذه اللحظة ، تتحد الإلكترونات مع النوى وتحصل على هيدروجين وهليوم محايد (وبعض الأشياء الأخرى) ، وتحصل الفوتونات على إمكانية الانتشار دون عوائق.



تسمى لحظة تكوين الذرات المحايدة بإعادة التركيب ، وغالبًا ما توصف بأنها تحول الكون إلى شفافة. الفوتونات ، بعد هروبها من حدود الضباب الإلكتروني ، يمكن أن تسافر في الاتجاه الذي ستلتقي فيه في نهاية المطاف بالأرض وأجهزة استشعار KMFI الخاصة بنا! تسمى اللحظة الوجيزة بين تشتت الفوتونات وتكوين الذرات المحايدة سطح التشتت الأخير. هو الذي يظهر لنا من قبل KMFI. بما أن الكون كان معتمًا حتى هذه اللحظة ، فلن نتمكن حرفياً من رؤية أي شيء.

فماذا مع هذه البطاقات؟


أفضل طريقة لاستخراج المعلومات من خرائط توزيع KMFI هي حساب طيف الطاقة ، وربما قابلت واحدة منها في مقالات علمية شائعة. يمكن أن يكون الاتصال بين المناطق الساخنة والباردة مربكًا ، ولكن في الواقع ، كل شيء بسيط للغاية.

لفهم هذا الاتصال ، ننتقل إلى شكل موجة بسيط. أي موجة ناعمة غير دورية يمكنك العثور عليها أو رسمها لها خاصية رياضية مهمة: يمكن كتابتها كمجموع العديد من الموجات الدورية المختلفة بترددات وسعات معينة. يمكن وصف الموجة في الفضاء الحقيقي ، أي أنها مبنية على محوري x و y. ولكن يمكن أيضًا وصفها من خلال وظيفة متناسقة ، أي بناء اعتماد على الترددات التي يجب تلخيصها على سعة كل منها. يوضح gif العلاقة بين الموجة ، وكيف يمكن تقسيمها إلى مجموع الترددات المختلفة ، وكيف ترتبط جميعها بالوظيفة التوافقية. بالنسبة للأشخاص الذين لديهم تعليم رياضي ، يمكننا ببساطة أن نقول أن هذا هو تحويل فورييه.



إذا تم تمثيل الموجات على السطح بدلاً من الموجات على سطح ، فسيكون هذا KMPI - نمط من النقاط الساخنة (القمم) ونقاط البرد (الانخفاضات) الموجودة على سطح التشتت الأخير. بدلاً من صورة واحدة لتقلبات درجة الحرارة في KMFI ، يمكنك كتابتها كمجموع أنماط مختلفة ، كل منها يتوافق مع وضع معين أو متعدد.



توضح الرسوم البيانية لطيف الطاقة الخاص بـ KMFI مدى قوة كل وضع ، وبعد تلخيصها ، تقوم بإعادة إنتاج صورة KMFI.



الفكرة البارعة لطيف القوة في علم الكونيات هي أنه يمكننا عمل تنبؤات حول شكله بناءً على أفكارنا حول الكون. يُطلق على النموذج القياسي لعلم الكونيات اسم LambdaCDM ، أي Lambda (الطاقة المظلمة) المادة المظلمة الباردة ، ويتوافق مع معظم الأقطاب بشكل ملحوظ مع طيف درجة حرارة KMFI. في أصغر المضاعفات هناك بعض الشذوذ ، والعديد منها موصوف جيدًا هنا.



حتى الآن ، كان هناك نقاش فقط حول درجة حرارة KMFI المرصودة ، ولكن الفوتونات لها أيضًا استقطاب. بما أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ، فإن له كثافة واتجاه نسبة إلى نظام إحداثيات القاعدة. اتجاه التوجيه هو الاستقطاب ، والسبب في أن النظارات الداكنة تمنع الوهج بشكل جيد. تقوم بتصفية موجات الضوء الموجهة في نفس الاتجاه ، والتي تنعكس عادة من سطح مستو. إن استقطاب KMFI (وهو من نوعين ، الوضع E والوضع B) ، يتحلل إلى طيف طاقة بنفس طريقة تقلبات درجة الحرارة.

تضيف هذه الأطياف المزيد من المعلومات حول كوننا المبكر ، وربما حتى يمكنهم العثور على دليل على وجود موجات الجاذبية ما قبل التاريخ. لكن هل يمكنهم ذلك؟ هذا الصراع بين بلانك و BICEP2 هو ما يحاول العلماء حله!

Source: https://habr.com/ru/post/ar397669/

More articles:


All Articles