الفضاء والكون

بحث جديد عن التموجات في الفضاء منذ بداية الزمن


لقد ظهر الكون إلى الوجود قبل 13.8 مليار سنة. إن ما حدث في تلك اللحظة المبكرة يثير اهتمامًا شديدًا لأي شخص يحاول فهم السبب وراء كون كل شيء على ما هو عليه اليوم.

قال ديفيد سبيرجيل، رئيس مؤسسة سيمونز، وهي منظمة غير ربحية تدعم الأبحاث في حدود الرياضيات والعلوم: “أعتقد أن السؤال حول ما يحدث في بداية الكون هو سؤال عميق”. “وما يثير اهتمامي بشكل ملحوظ هو حقيقة أننا نستطيع القيام بملاحظات يمكن أن تعطينا نظرة ثاقبة لهذا الأمر.”

يمكن لمرصد جديد بتكلفة 110 ملايين دولار في الصحراء المرتفعة بشمال تشيلي، بتمويل من المؤسسة بقيمة 90 مليون دولار، أن يكشف عن أدلة رئيسية حول ما حدث بعد الانفجار الكبير من خلال النظر في جزيئات الضوء التي سافرت عبر الكون منذ بداية الزمن تقريبًا.

يمكن أن توفر البيانات أخيرًا دعمًا مقنعًا لفكرة خيالية تُعرف باسم التضخم الكوني. ويرى أنه في الجزء الأول من الزمن بعد ولادة الكون، تسارع نسيج الزمكان إلى الخارج بسرعات أكبر بكثير من سرعة الضوء.

وبدلا من ذلك، يمكن لقياسات المرصد تقويض هذه الفرضية، وهي ركيزة في الفهم الحالي لعلم الكونيات.

تم تسمية المرصد على اسم المؤسسة ومؤسسيها: جيم سيمونز، ملياردير صندوق التحوط والمحسن الذي توفي في 10 مايو، وزوجته مارلين، وهي خبيرة اقتصادية مدربة. بدأ اثنان من التلسكوبات الأربعة في أخذ القياسات في أبريل، في الوقت المناسب لعيد ميلاد الدكتور سيمونز السادس والثمانين في 25 أبريل.

قال الدكتور سبيرجيل: “كان هذا نوعًا من الهدف الذي حدده جيم منذ فترة طويلة لاستكمال المشروع”. “ووصلنا إلى هناك.”

يقع المرصد وسط مناظر طبيعية قاحلة على ارتفاع 17000 قدم، ويحتوي على ثلاثة تلسكوبات صغيرة تشبه بشكل عابر مخاريط الآيس كريم وواحد أكبر يتكون من صندوق مدبب، وهو شيء يبدو وكأنه ابن عم لـ “حرب النجوم”. الروبوت.

تجمع التلسكوبات الموجات الدقيقة – ذات الأطوال الموجية الأطول من الضوء المرئي ولكنها أقصر من موجات الراديو. يقوم اثنان من التلسكوبات الأصغر بجمع البيانات بالفعل. وسوف تنضم الوحدة الثالثة خلال بضعة أشهر، بينما ستبدأ الوحدة الرابعة، وهي أكبر بكثير، عملياتها في العام المقبل.

سيقوم بعد ذلك حوالي 60 ألف كاشف في التلسكوبات الأربعة بدراسة التوهج الكوني لأشعة الميكروويف التي تملأ الكون.

وقالت سوزان ستاجز، أستاذة الفيزياء بجامعة برينستون والمديرة المشاركة لمرصد سيمونز: “إنها أداة فريدة من نوعها”. “لدينا الكثير من أجهزة الكشف.”

خلال الـ 380 ألف سنة الأولى من نشأة الكون، كانت درجات الحرارة مرتفعة جدًا لدرجة أن ذرات الهيدروجين لم تكن قادرة على التشكل، وكانت الفوتونات – جزيئات الضوء – ترتد عن الجسيمات المشحونة، ويتم امتصاصها وانبعاثها باستمرار. ولكن بمجرد أن يتشكل الهيدروجين، يمكن للفوتونات أن تنتقل دون عوائق. لقد بردت الفوتونات إلى بضع درجات فقط فوق الصفر المطلق، وامتدت أطوالها الموجية إلى جزء الموجات الدقيقة من الطيف.

تم رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي لأول مرة منذ نصف قرن، وذلك من خلال هسهسة مصادفة التقطها هوائي في هولمديل، نيوجيرسي.

في التسعينيات، كشف القمر الصناعي التابع لناسا، وهو مستكشف الخلفية الكونية، عن تموجات صغيرة في درجات الحرارة داخل الموجات الميكروية الكونية – بصمات أصابع تشير إلى الشكل الذي كان يبدو عليه الكون المبكر. عكست التقلبات الاختلافات في كثافة الكون، وتجمعت المناطق الأكثر كثافة لاحقًا لتشكل مجرات وحتى هياكل واسعة النطاق من العناقيد المجرية الفائقة التي تصطف مثل شبكة العنكبوت الكونية.

يهدف مرصد سيمونز إلى اكتشاف المزيد من التفاصيل – الأنماط الدوامية للضوء المستقطب، والتي يطلق عليها علماء الكونيات الأنماط B – في الموجات الدقيقة.

اقترح آلان جوث، الأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فكرة التضخم الكوني قبل 45 عامًا، وذلك جزئيًا لتفسير التجانس اللطيف للكون. بغض النظر عن الاتجاه الذي تنظر إليه، بغض النظر عن المسافة التي تنظر إليها، كل شيء في الخلفية الكونية الميكروية يبدو متشابهًا إلى حد كبير.

لكن الكون المرصود كبير جدًا لدرجة أنه لا يوجد ما يكفي من الوقت ليسافر الفوتون على طول الطريق ليعادل درجات الحرارة في كل مكان. لكن التمدد السريع للزمكان – التضخم – كان من الممكن أن يحقق ذلك، على الرغم من أنه كان سينتهي عندما كان عمر الكون أقل من جزء من تريليون من مليار من مليار من الثانية.

وقال بريان كيتنغ، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، وأحد قادة المشروع، إن الملاحظات الكونية الحالية تتوافق مع صورة التضخم الكوني.

لكن الدكتور كيتنغ أضاف: «حتى الآن، لا يوجد دليل دامغ».

كان من الممكن أن يؤدي التوسع المتسارع إلى توليد موجات جاذبية عملاقة من شأنها أن تصطدم بالمادة بطريقة من شأنها أن تطبع الأنماط B بين إشعاع الميكروويف البدائي.

قال الدكتور كيتنغ: «إن الموجات B، تلك الموجات من الجاذبية التي تنتشر في جميع أنحاء الكون، ستكون بمثابة دخان من البندقية».

بالنسبة للأنماط B، سيقوم العلماء بفحص خاصية الضوء المعروفة باسم الاستقطاب.

يتكون الضوء من مجالات كهربائية ومغناطيسية تتأرجح بزوايا قائمة مع بعضها البعض. عادة، يتم توجيه هذه الحقول في اتجاهات عشوائية، ولكن عندما ينعكس الضوء عن أسطح معينة، يمكن أن يتم محاذاة الحقول أو استقطابها.

يمكن دراسة استقطاب الضوء باستخدام مرشح، يمر من خلاله فقط جزء الضوء المستقطب في اتجاه معين. (هذه هي الطريقة التي تعمل بها النظارات الشمسية المستقطبة على قمع الوهج. فعندما ينعكس ضوء الشمس عن الماء، يصبح مستقطبًا، على غرار الطريقة التي أصبح بها الضوء في بداية الكون مستقطبًا).

تتكون أجهزة الكشف في المرصد، في جوهرها، من مرشحات مستقطبة دوارة. إذا كانت الموجات الميكروية غير مستقطبة، فسيظل سطوع الموجات الميكروية ثابتًا. إذا كانت مستقطبة، فإن السطوع سوف يرتفع وينخفض ​​- يصبح أكثر سطوعًا عندما يتماشى الفلتر مع الاستقطاب، ويكون خافتًا عندما يكون الفلتر في زاوية قائمة مع الاستقطاب.

إن تكرار هذا القياس عبر رقعة من السماء سيكشف عن أنماط الاستقطابات.

هناك نوعان من أنماط الاستقطاب. يُطلق على أحدهما اسم الوضع E، بالنسبة للكهرباء، لأنه مماثل للمجالات الكهربائية المنبعثة من جسيم مشحون. لقد كشفت عمليات رصد الموجات الميكروية السابقة عن الأنماط الإلكترونية في الموجات الميكروية البدائية، الناتجة عن التغيرات في كثافة الكون.

أما نمط الاستقطاب الآخر فيمتلك خاصية موجودة في المجالات المغناطيسية. ولأن الفيزياء تستخدم الحرف B كرمز لتعيين المجالات المغناطيسية، فإنه يُعرف باسم الوضع B.

قال الدكتور سبيرجيل: «إنها تبدو مثل الدوامات».

كان من الممكن أن تهز موجات الجاذبية الإلكترونات بطريقة تولد أنماط B صغيرة في الموجات الميكروية الكونية.

وقال جريجوري جابادادزي، أستاذ الفيزياء في جامعة نيويورك والمدير المساعد للفيزياء في مؤسسة سيمونز: “الاكتشاف سيكون بمثابة جائزة نوبل”. “لا يهم جائزة نوبل. اكتشاف بهذا الحجم، من يهتم بالجائزة التي تمنحها له؟

يمكن لقياسات الموجات الميكروية أن تكشف عن ظواهر فيزيائية رئيسية أخرى أيضًا، بما في ذلك كتل الجسيمات الشبحية المعروفة باسم النيوترينوات، أو تحديد المادة المظلمة، وهي الجسيمات الغامضة التي تمثل 85% من كتلة الكون.

ولعل التحدي الأكبر الذي يواجه علماء الكونيات هو ألا يخدعوا أنفسهم.

وهذا ما حدث قبل عقد من الزمن عندما أعلن العلماء الذين كانوا يعملون على تجربة تُعرف باسم BICEP2، للتصوير الخلفي للاستقطاب الكوني خارج المجرة، أنهم عثروا على الدليل القاطع لموجات الجاذبية البدائية والتضخم الكوني.

ولكن في غضون عام، انهارت المطالبة. لم تأت الموجات الميكروية المرصودة من الانفجار الكبير والتضخم، بل من الغبار الموجود داخل مجرتنا درب التبانة.

ولتجنب تكرار هذا الخطأ، سيقوم مرصد سيمونز بإجراء ملاحظاته على أطوال موجية متعددة. (اعتمدت نتائج BICEP2 على طول موجي واحد فقط).

وسيتم تخصيص أحد التلسكوبات في مرصد سيمونز لرصد الغبار بين النجوم، الذي يشع عند درجات حرارة أعلى. سيتم بعد ذلك طرح تلك الإشارة، والتي يأمل الباحثون أن تترك فقط الخلفية الكونية الميكروية.

قال الدكتور كيتنغ: “الأمر يستحق بالنسبة لنا أن نحترس من تكرار الفشل الذريع الذي أضر بنا من قبل”. “إذا حدث ذلك مرة أخرى، فلا أعتقد أن أي شخص سيثق في هذا المجال على الإطلاق.”

في أعقاب الجدل حول BICEP2، أقنع الدكتور سيمونز مجموعات البحث المتنافسة بالعمل معًا في مرصد سيمونز. قال الدكتور كيتنغ: “مازحت أنه فرض عملية اندماج، مستفيدًا من خبرته في عالم صناديق التحوط”.

ربما لا يزال مرصد سيمونز يفشل في العثور على ما يبحث عنه، أو قد تكون البيانات غامضة. وربما يتبين أن الانبعاثات الزائفة من الغبار تمثل مشكلة أكبر مما كان متوقعا، مما يؤدي إلى حجب الأنماط B البدائية.

وقال الدكتور كيتنغ: “إن الأمر يشبه النظر إلى مدينة نيويورك من خلال نافذة قذرة”. “الطبيعة ليس لديها عقد معنا لإنتاج إشارة يمكن ملاحظتها.”

أو ربما لا توجد أي أوضاع B على الإطلاق. وهذا من شأنه أن يسعد علماء الكون المتناقضين الذين لا يحبون فكرة التضخم الكوني. إحدى العواقب التي يبدو أنها لا مفر منها للتضخم هي الكون المتعدد، حيث يتحول الكون باستمرار إلى عدد لا نهائي من الاحتمالات البديلة.

قال الدكتور كيتنغ: «حرفيًا، كل ترتيب محتمل للمادة والمكان والزمان والطاقة يحدث في مكان ما في هذا المشهد الكوني الذي يسمى الكون المتعدد». “بعض الناس يجدون ذلك جذابًا للغاية، والبعض الآخر يجده مقيتًا.”

ومع ذلك، فإن جميع البدائل تتوقع صفرًا تمامًا من الأوضاع B. وبالتالي فإن الكشف الناجح من شأنه أن يستبعدهم.

قال الدكتور كيتنغ: «إن هذا لا يثبت التضخم بعد، لكنه سيضيق نطاق الجناة من أربعة أو خمسة إلى واحد».

إذا لم يكتشف مرصد سيمونز أي أنماط B، فإن ذلك لن يدحض التضخم الكوني بشكل قاطع. لكن هذا سيجعل من الصعب تحريف النماذج النظرية بطريقة تنتج نماذج B صغيرة بما يكفي بحيث لا يمكن اكتشافها.

قال الدكتور جابادادزي: «سيكون النموذج التضخمي في ورطة كبيرة». “الأغلبية سوف تتخلى عنه، وسوف نبحث عن بدائل للتضخم.”

وفي الواقع، قال الدكتور كيتنغ إن الدكتور سيمونز، عالم الرياضيات البارز قبل التحول إلى عالم المال، كان من بين أولئك الذين كانوا سيسعدون برؤية التضخم يُلقى في سلة مهملات الفرضيات العلمية غير المؤكدة.

قال الدكتور كيتنغ: «سيتوافق ذلك مع فكرته عن النموذج الدوري الأبدي أو المرتد للكون». لكن الدكتور سيمونز كان أيضًا على استعداد لاستثمار الأموال لمعرفة ما إذا كان من الممكن إثبات خطأه.

قال الدكتور كيتنغ: “كان حبه الحقيقي هو العلم”.



المصدر

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى