كيف غيّر القمر الصناعي الفلكي Planck إلى الأبد تصورنا للكون

يزداد تفصيل التوهج المتبقي في الانفجار الكبير بشكل مطرد بفضل صور القمر الصناعي الجديدة. أحدث النتائج النهائية من القمر الصناعي بلانك تعطينا الصورة الأكثر دقة للكون.

لقد مرت أكثر من 50 عامًا منذ اللحظة التي اكتشفت فيها البشرية تيارًا موحدًا من إشعاع الميكروويف منخفض الطاقة القادم من جميع أنحاء السماء. إنها لا تأتي من الأرض ، ولا من الشمس ، ولا حتى من المجرة ؛ إنه يأتي من أماكن خارج أي نجم أو مجرة ​​لاحظناها على الإطلاق. وعلى الرغم من أن مكتشفيه في البداية لم يعرفوا ما قصده ، إلا أن مجموعة من الفيزيائيين الذين لم يكونوا بعيدين منهم كانوا بالفعل بصدد تطوير تجربة للبحث عن هذه الميزة بدقة: التوهج المتبقي النظري للانفجار الكبير.

في البداية كانت تسمى كرة نارية بدائية ، ثم أطلقنا عليها اسم إشعاع (RI) [ أو خلفية الميكروويف الكونية ، خلفية الميكروويف الكونية (CMB) / تقريبًا. perev. ] ، وقد تم قياس خصائصه بالفعل بأدق التفاصيل. المرصد الأكثر تقدما لخصائصه المقاسة على الإطلاق هو القمر الصناعي الفلكي بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، الذي أطلق في عام 2009. جمع القمر الصناعي مجموعة كاملة من البيانات لعدة سنوات ، وقد أكمل العلماء للتو تحليلهم النهائي ونشروه. وإليك كيف غير نظرتنا إلى الكون إلى الأبد .


إن اللمعان المتبقي من الانفجار الكبير ، RI ، ليس متجانسًا ، ولديه العديد من العيوب الدقيقة وتقلبات درجة الحرارة في نطاق عدة مئات من microkelvin. وعلى الرغم من أن هذا يلعب دورًا كبيرًا في الفترة التي تلت نمو الجاذبية ، فمن المهم أن نتذكر أنه في أوائل الكون ، وكذلك الكون الواسع النطاق في أيامنا ، فإن التغايرات تصل إلى قيم 0.01٪ فقط. اكتشف بلانك وقياس هذه التقلبات بدقة لم تكن متوفرة من قبل.

هذه الصورة لطفولة الكون ، والتي تظهر الضوء المنبعث عندما كانت تبلغ من العمر 380،000 سنة فقط ، هي الأفضل على الإطلاق. في أوائل التسعينات ، أعطانا القمر الصناعي COBE النهج الأول لها ، وهي خريطة RI للسماء بأكملها بدقة تبلغ حوالي 7 درجات. قبل حوالي 10 سنوات ، تمكنت WMAP من زيادة الدقة إلى نصف درجة.

ماذا عن بلانك؟ بلانك حساس للغاية لدرجة أن قيوده لا تنتج عن أدوات قادرة على العمل بدقة تصل إلى 0.07 درجة ، ولكن بسبب الفيزياء الفلكية الأساسية للكون نفسه! وبعبارة أخرى ، في هذه المرحلة من تطور الكون ، من المستحيل الحصول على صورة أفضل من نجاح بلانك. لن تعطيك زيادة الدقة مزيدًا من المعلومات حول المساحة.


قام COBE ، أول قمر صناعي RI ، بقياس التقلبات بدقة 7º. تمكنت WMAP من تحسين الدقة إلى 0.3 درجة في خمسة نطاقات تردد مختلفة ، وأخذ Planck قياسات بدقة تصل إلى 5 دقائق من الزاوية (0.07 درجة) عبر تسعة نطاقات تردد مختلفة.

أيضًا ، تمكن Planck من قياس هذا الإشعاع وتقلباته في عدد أكبر من نطاقات التردد (في المجموع ، في تسعة) من أي سواتل أخرى سابقة. كان لدى COBE أربعة نطاقات (وثلاثة نطاقات مفيدة فقط) ، وكان لدى WMAP خمسة نطاقات. يمكن COBE قياس تقلبات درجة الحرارة تصل إلى 70 μK ؛ تمكن Planck من تحسين الدقة إلى 5 μK.

ساعدتنا الدقة العالية ، والقدرة على قياس استقطاب هذا الضوء ، ونطاقات التردد المختلفة في فهم وقياس وطرح التأثيرات الناتجة عن الغبار في مجرتنا بشكل أفضل من أي وقت مضى. لفهم التوهج المتبقي للانفجار الكبير ، من الضروري دراسة تلك الآثار التي يمكن أن تلوث الإشارة المطلوبة بدقة متساوية. يجب القيام بهذه الخطوة قبل استرداد أي معلومات كونية.


تُظهر خريطة الغبار الكاملة لدرب التبانة التي حصلت عليها بلانك خريطة ثنائية الأبعاد منخفضة الدقة لتوزيع الغبار في المجرة. يجب طرح هذا "الضجيج" لإعادة إنشاء إشارتنا الخلفية الكونية ما قبل التاريخ.

بعد تلقي الإشارة الكاملة من الكون المبكر ، يمكن تحليلها واستخراج جميع المعلومات الممكنة. وهذا يعني الاستخراج من تقلبات درجة الحرارة التي تحدث في المقاييس الكبيرة والمتوسطة والصغيرة ، مثل:

• ما مقدار المادة الطبيعية ، المادة المظلمة والطاقة المظلمة في الكون ،
• ما كان التوزيع الأولي وطيف تقلبات الكثافة ،
• ما هو شكل وانحناء الكون.

تشير قيم درجة الحرارة في النقاط الساخنة والباردة ، وكذلك مقياسها ، إلى انحناء الكون. أفضل أبعادنا تعطينا كونًا مسطحًا. توفر التذبذبات الصوتية الباريونية و RIs معًا أفضل الطرق للحد من خطأ هذا القياس إلى 0.1٪.

إن ما يحدث بمقاييس مختلفة لا يعتمد على بعضهم البعض ، ولكنه يعتمد بشكل كبير على تكوين الكون. يمكننا أيضًا دراسة خصائص الاستقطاب لهذا الإشعاع ، والحصول على مزيد من المعلومات ، على سبيل المثال:

• عندما حدثت إعادة تأين الكون (وبالتالي ، وصل تكوين النجوم إلى عتبة معينة) ،
• إذا كانت هناك تقلبات تجاوزت حجم الأفق ،
• يمكننا أن نرى نتيجة عمل موجات الجاذبية ،
• كمية ودرجة حرارة النيوترينوات في المرة الواحدة

وغير ذلك الكثير. على الرغم من أن درجة حرارة RI التي تم الحصول عليها من قبلنا لا تزال عند مستوى 2.725 كلفن ، فقد عرفنا الكثير لعدة عقود. بالنظر إلى كل هذا ، هذه هي الطريقة التي غير بها Planck إلى الأبد فهمنا للكون.


أعطتنا بيانات بلانك الفضائية ، إلى جانب مجموعات بيانات إضافية ، قيودًا صارمة جدًا على القيم المحتملة للمعلمات الكونية. على وجه الخصوص ، تراوح معدل توسع هابل من 67 إلى 68 كم / ثانية / MPC.

كان هناك مادة أكثر في الكون ، وكان معدل توسعه أقل مما كنا نعتقد. قبل Planck ، اعتقدنا أن هناك 26٪ من المادة و 74٪ من الطاقة المظلمة في الكون ، وكانت سرعة التمدد حوالي 70 كم / ثانية / MPC.

والآن؟

في الكون ، تبين أن 31.5٪ من المادة (منها 4.9٪ طبيعية ، والباقي داكن) ، و 68.5٪ طاقة مظلمة ، وسرعة التمدد 67.4 كم / ثانية / Mpc. علاوة على ذلك ، تحتوي السرعة على خطأ صغير (~ 1 ٪) لدرجة أنها تتعارض مع القياسات التي تم إجراؤها على أساس الدرج الفضائي للمسافات ، حيث تبلغ السرعة 73 كم / ثانية / MPC. ربما يكون هذا أكبر تناقض بين كل ما يتعلق بالمفهوم الحديث للكون.


تعديل عدد أنواع النيوترينو اللازمة لمطابقة البيانات حول تقلبات RI. تتوافق هذه البيانات مع خلفية نيوترينو مع درجة حرارة تعادل بقوة 1.95 كلفن ، وهي أقل بكثير من الفوتونات بالأشعة السينية. تشير النتائج الأخيرة من Planck بالتأكيد إلى ثلاثة أنواع فقط من النيوترينوهات الخفيفة.

تعلمنا من Planck أن هناك ثلاثة أنواع فقط من النيوترينوات ، وأن كتلة كل نوع لا يمكن أن تتجاوز 0.4 eV / s ² : إنها أصغر بـ 10 مليون مرة من الإلكترون. نحن نعلم أن درجة الحرارة الكونية لهذه النيوترينوات تقابل 72٪ من درجة الحرارة / الطاقة الحركية لفوتونات RI ؛ إذا لم يكن لديهم كتلة ، فستكون درجة حرارتهم اليوم 2 ك.

نحن نعلم أيضًا أن الكون مسطح جدًا من حيث الانحناء المكاني الكلي. من خلال دمج البيانات من بلانك مع البيانات المتعلقة بتشكيل الهياكل واسعة النطاق ، يمكننا أن نثبت أن انحناء الكون لا يتجاوز 1/1000 ، أي أن الكون لا يمكن تمييزه عن مسطح تمامًا.


تستند تقلبات RI على التقلبات الأولية الناتجة عن التضخم. على وجه الخصوص ، لا يمكن تفسير الجزء المسطح من الرسم البياني على نطاق واسع (يسار) بدون تضخم. يشير الخط المستقيم إلى البذور التي سيظهر منها نمط الانخفاضات والقمم خلال 380،000 سنة الأولى من الكون ، بافتراض أن n _s = 1. يعطي النطاق الحقيقي للبيانات من Planck انحرافًا صغيرًا ولكنه مهم: n _s = 0.965

لدينا أيضًا أفضل دليل اليوم على أن تقلبات الكثافة تتطابق تمامًا مع تنبؤات نظرية التضخم الكوني. تتنبأ أبسط نماذج التضخم بأن التقلبات التي ولدت بها الكون كانت متشابهة على جميع المستويات ، وعلى نطاق واسع كانت أقوى قليلاً من تلك الصغيرة.

بالنسبة لـ Planck ، هذا يعني أن إحدى الكميات التي يمكن أن يشتقها ، n _s ، يجب أن تكون تقريبًا 1 ، ولكنها أقل قليلاً من ذلك. أصبحت قياسات Planck الأكثر دقة على الإطلاق ، والتضخم المؤكد تمامًا: n _s = 0.965 ، مع خطأ أقل من 0.05٪.


البيانات من Planck وحدها لا تعطي قيودًا صارمة جدًا على معادلة حالة الطاقة المظلمة. ولكن إذا جمعناها مع مجموعة كاملة من البيانات حول الهياكل الكبيرة والمستعرات الأعظمية ، يمكننا بالتأكيد أن نثبت أن الطاقة المظلمة تتناسب تمامًا مع إطار ثابت كوني خالص (تقاطع خطين متقطعين).

هناك أيضًا سؤال حول ما إذا كانت الطاقة المظلمة ثابتًا كونيًا حقًا ، وهي حساسة جدًا لكل من RI والبيانات من أقصى أركان الكون - على سبيل المثال ، النوع Ia supernovae. إذا كانت الطاقة المظلمة ثابتًا كونيًا مثاليًا ، فيجب أن تكون معادلة الحالة ، المحددة بواسطة المعلمة w ، مساوية تمامًا -1.

القيمة المقاسة؟

وجدنا أن w = -1.03 ، مع خطأ 0.03. لا يلاحظ الدليل لصالح الخيارات الأخرى ، أي أن الضغط الكبير والفجوة الكبيرة لا تدعم هذه البيانات.


أفضل قياساتنا لنسب كمية المادة المظلمة والمادة الطبيعية والطاقة المظلمة في الكون اليوم ، وكيف تغيرت في عام 2013: قبل بلانك وبعد إصدار أول بيانات بلانك. النتيجة النهائية التي تم الحصول عليها من Planck لا تختلف عن 0.2٪ عن الأولى.
غادر - قبل ، يمين - بعد. نتيجة لذلك ، لدينا 68.3٪ من الطاقة المظلمة و 26.8٪ من المادة المظلمة و 4.9٪ من المادة العادية

تغيرت القيم الأخرى قليلاً. الكون أقدم قليلاً (13.8 بدلاً من 13.7 مليار سنة) مما كنا نعتقد سابقًا ؛ المسافة إلى حافة الكون المرصود هي أقل بقليل (46.1 بدلاً من 46.5 مليار سنة ضوئية) مما أظهرته WMAP ؛ تحسنت القيود على حجم موجة الجاذبية الناتجة عن التضخم بشكل طفيف. تم تحديد معلمة نسبة الموتر-العددية ، r ، إلى Planck من الأعلى بقيمة 0.3. الآن ، مع بيانات من Planck عن الهياكل واسعة النطاق والتجارب الأخرى (على سبيل المثال ، BICEP2 وكتلة Keck) ، يمكننا القول بثقة أن r <0.07. هذا يستثني العديد من أنماط التضخم التي كانت تعتبر في السابق ممكنة.


العمودي هو نسبة الموتر إلى scalar ® ، والأفقي هو مؤشر الطيف القياسي (n) ، الذي يحدده Planck والبيانات على المستعرات الأعظمية والهياكل واسعة النطاق. لاحظ أنه إذا كانت n _{s محددة} بشكل جيد ، فلا يمكن قول ذلك عن r. من المحتمل أن يتحول r إلى صغير للغاية (حتى 0.001 أو حتى أقل). قيود بلانك ، على الرغم من أنها الأفضل المتاحة ، لا تزال غير جيدة بما فيه الكفاية.

والآن ، مع كل هذه البيانات ، ما هي الأفكار حول الكون ومكوناته التي يمكن أن نقول "نعم" ، وأي "لا"؟

• نعم - تضخم لا - لموجات الجاذبية بعده.
• نعم - مع ثلاثة نيوترينات خفيفة للغاية من النموذج القياسي ، لا - مع ملحقات.
• نعم - توسع أبطأ قليلاً ، كون أقدم ، لا - أي دليل على الانحناء المكاني.
• نعم - القليل من المادة المظلمة والمادة الطبيعية ، نعم - طاقة مظلمة أقل قليلاً.
• لا - الطاقة المظلمة المتغيرة والفجوة العظيمة والضغط العظيم.

تُظهر النتائج النهائية لتعاون بلانك تطابقًا دقيقًا للغاية بين تنبؤات علم الكونيات ووفرة الطاقة المظلمة والمادة المظلمة (الخط الأزرق) مع البيانات (النقاط الحمراء والأخطاء السوداء). تتطابق جميع القمم الصوتية السبع مع البيانات تمامًا.

والأهم من ذلك ، أن هناك اتساقًا هائلًا مع دقة غير مسبوقة بين RI المرصود والتنبؤات النظرية لسلوك الكون بنسبة 5٪ من المادة الطبيعية و 27٪ من المادة المظلمة و 68٪ من الطاقة المظلمة. يمكن أن تتذبذب بعض هذه القيم في حدود 1-2٪ ، لكن الكون لا يمكن أن يوجد بدون كميات كبيرة من المادة المظلمة والطاقة المظلمة. إنها حقيقية ، وهي ضرورية ، وتتوافق توقعاتها تمامًا مع مجموعة البيانات بالكامل.

تلقى التضخم ، وفيزياء النيوترينو ، والانفجار الكبير تأكيدًا إضافيًا ، وأصبحت البدائل والخيارات الخاصة أكثر محدودية. بالتأكيد ، كما يكتب تعاون بلانك ، "لم نجد أدلة مقنعة على الحاجة إلى توسيع نموذج لامدا- CDM الأساسي ." أخيرًا ، يمكننا أن نقول بثقة تامة ما يتكون الكون منه.