توضيح (CMB ) هو اختصار ل (Cosmic microwave background-اشعاع الخلفية الكونية الميكروي)
كتب جوليان بوريل أن المرصد الأرضي المعتمد حديثًا لدراسة تباين الخواص في الخلفية الكونية الميكروية (CMB) سيوفر اكتشافات تحويلية في الفيزياء الأساسية وعلم الكونيات والفيزياء الفلكية وعلم الفلك.
لمعالجة الأسئلة الرئيسية في علم الكونيات تظل الخلفية الكونية الميكروية (CMB) أهم ظاهرة يمكن ملاحظتها. ليست كلمات هذا المؤلف فقط ولكن تلك الكلمات الصادرة عن الأكاديميات الوطنية الأمريكية للعلوم والهندسة والطب التي نشرت مؤخرًا تقريرًا عن مسارات للاكتشاف في علم الفلك والفيزياء الفلكية لعقد 2020 (Astro2020) ، والتي أوصت بأن تتابع الولايات المتحدة الجيل التالي من تجربة CMB الأرضية CMB-S4 للدخول في العملية حوالي عام 2030.
تتكون CMB من الفوتونات التي نشئت في الانفجار العظيم. لذلك اختبرت هذه الفوتونات تاريخ الكون بأكمله, كل ما حدث قد ترك بصمة عليها في شكل تباين الخواص في درجة حرارتها واستقطابها مع السعات المميزة والمقاييس الزاويّة.
كان الكون المبكر ساخنًا بدرجة كافية ليتأين تمامًا مما يعني أن فوتونات CMB تبعثر باستمرار الإلكترونات الحرة. خلال هذه الفترة تم طبع تباين الخواص الأولية لل CMB
بعد حوالي 375000 سنة من التوسع برد الكون بدرجة كافية لاستقرار ذرات الهيدروجين المحايدة و مع اجتياح البروتونات للإلكترونات الحرة بسرعة فإن فوتونات CMB تدفقت بحرية في أي اتجاه كانت تتحرك فيه آخر مرة.
عندما نلاحظ اليوم CMB فإننا نرى بالتالي لقطة لما يسمى سطح التشتت الأخير.
يشير سطح التشتت الأخير إلى مجموعة النقاط في الفضاء على المسافة المناسبة منا بحيث نتلقى الآن الفوتونات المنبعثة في الأصل من تلك النقاط في وقت فصل الفوتون
كان للتطور المستمر للكون تأثيران رئيسيان على فوتونات إشعاع الخلفية الكونية.
أولاً قام توسعه المستمر بتمديد أطوال موجاتهم لتصل إلى ذروتها عند ترددات الميكروويف اليوم.
ثانيًا أدى نمو البنية في النهاية إلى تكوين عناقيد مجرية غيرت اتجاه وطاقة واستقطاب فوتونات إشعاع الخلفية الكونية التي تمر عبرها ، سواء من عدسات الجاذبية من خلال كتلتها أو من تشتت كومبتون العكسي بواسطة الغاز الساخن الذي يشكل الوسط بين عنقودي.
وبالتالي فإن هذه التباين الثانوي يقيد جميع المتغيرات التي يعتمد عليها هذا التاريخ من اللحظة التي تشكلت فيها النجوم الأولى إلى عدد جسيمات بقايا الضوء وكتل النيوترينوات.
تشتت كومبتون العكسي : يحدث عندما يمتلك الالكترون طاقة حركية عالية مقارنة بالنيوترون , فتكتسب طاقات أعلى بواسطة الإلكترونات في الهالة المحيطة
تحدي CMB-S4
يجب مواجهة ثلاثة تحديات رئيسية لدراسة CMB بمثل هذه المستويات من الدقة.
أولاً الإشارات باهتة بشكل غير عادي وتتطلب مجموعات بيانات ضخمة لتقليل حالات عدم اليقين الإحصائية.
ثانيًا علينا أن نتعامل مع التأثيرات المنهجية سواء من الأدوات غير الكاملة أو من البيئة والتي يجب التحكم فيها بدقة متناهية إذا لم تكن تريد إغراق الإشارات.
أخيرًا يتم حجب الإشارات بواسطة مصادر أخرى لانبعاثات الميكروويف وخاصة السنكروترون المجري وانبعاث الغبار.
على عكس CMB لا تحتوي هذه المصادر على طيف الجسم الأسود لذلك من الممكن التمييز بين المصادر من CMB وغير CMB إذا تم إجراء الملاحظات على ترددات ميكروويف كافية لكسر الانفطار .
منذ البداية كان القصد من CMB-S4 أن يكون أول تجربة CMB مدارية فرعية مصممة للوصول إلى عتبات علمية حرجة محددة بدلاً من مجرد تعظيم العائد العلمي في ظل سقف تكلفة معين. علاوة على ذلك كتعاون على مستوى المجتمع سيكون CMB-S4 قادرًا على تبني وتكييف أفضل تقنيات ومنهجيات التجارب السابقة – بما في ذلك التشغيل في الموقع الأنسب لكل هدف علمي. يعتمد ثلث الأسئلة الرئيسية ومجالات الاكتشاف التي تم تحديدها عبر لوحات Astro2020 الستة على ملاحظات CMB.
درجات الحرية الحرجة في تصميم أي ملاحظة هي منطقة السماء وتغطية التردد والعمق المعتمد على التردد والاستبانة الزاوية ومراقبة الإيقاع. بعد مراجعة المتطلبات عبر سلسلة علوم CMB تم تحديد أربعة أهداف علمية دافعة لـ CMB-S4.
الأول هو اختبار نماذج التضخم عبر موجات الجاذبية البدائية التي تولدها بشكل طبيعي. مثل هذه الموجات الثقالية هي المصدر الوحيد المعروف لإشارة الاستقطاب على النمط B البدائي. يتم تحديد حجم هذه الأنماط B البدائية من خلال نسبة قوتها إلى تلك الخاصة بطيف قدرة درجة الحرارة – النسبة العددية إلى الموتر (r). بالنسبة للفئات الأكبر والأكثر شيوعًا من النماذج التضخمية ، سيجري CMB-S4 اكتشافًا بمقدار 5 درجات لـ r ، بينما سيؤدي الفشل في إجراء مثل هذا القياس إلى وضع حد أعلى قدره r 0.001 عند ثقة 95٪ ، مما يضع قيدًا صارمًا على النماذج البديلة . يعتبر ترميز إشارة الاستقطاب B-mode على نطاق واسع هو الأضعف بين جميع إشارات CMB ، مما يتطلب أعمق قياس وأوسع تغطية تردد منخفضة الاستبانة لأي حالة علمية CMB-S4.
الهدف الثاني يتعلق بالكون المظلم حيث تشكل المادة المظلمة والطاقة المظلمة 95٪ من محتوى الكون ويؤثر شكلها الخاص وتكوينها على نمو البنية وبالتالي تباين الخواص الصغيرة لل CMB.
قد يعجبك : هل اثر انفجار SUPERNOVA مستعر اعظم في تاريخ الارض
تم بالفعل ملاحظة التأثير الجماعي لجسيمات بقايا الضوء الثلاثة المعروفة (النموذج القياسي النيوترينوات) في بيانات CMB ، لكن العديد من أنواع الضوء الجديدة مثل الجسيمات الشبيهة بالأكسون والنيوترينوات المعقمة تم توقعها من خلال امتدادات النموذج القياسي.
هدف CMB-S4 والاكثر تحديًا في هذا المجال هو اكتشاف أي أنواع إضافية من بقايا الضوء ذات درجات حرارة تجميد تصل إلى مقياس انتقال طور QCD. يتوافق هذا مع تقييد عدم اليقين بشأن عدد الأنواع ذات الآثار الخفيفة Neff إلى ≤ 0.06 عند ثقة 95٪
الهدف العلمي الثالث هو فهم تكوين مجموعات المجرات وتطورها ، وعلى وجه الخصوص استكشاف الفترة المبكرة لتشكيل المجرات عند الانزياحات الحمراء z> 2. يتم تمكين هذا من خلال تأثير Sunyaev-Zel’dovitch (SZ) ، حيث يتم تحفيز فوتونات CMB لتتناثر بفعل الغاز الساخن المتحرك في الوسط بين عنقودي .
يؤدي هذا إلى تغيير طيف في تردد فوتونات CMB مما يؤدي إلى تناقص الترددات التي تقل عن 217 جيجاهرتز وزيادة في الترددات الاعلى منه ، مما يسمح بتحديد المجموعات عن طريق مطابقة النقاط الباردة والساخنة المقابلة.
الميزة الرئيسية لتأثير SZ هي استقلال التحول إلى الأحمر مما يسمح لنا بإنشاء كتالوجات كاملة ومحدودة التدفق من المجموعات لحساسية المسح.
تتطلب إشارات درجة الحرارة صغيرة الحجم اللازمة لمثل هذا الكتالوج استبانة زاوية عالية وأوسع تغطية تردد عالية الدقة لجميع الحالات العلمية CMB-S4.
أخيرًا ، يهدف CMB-S4 إلى استكشاف millimetre waves العابرة للسماء ولا سيما معدل انفجارات أشعة جاما للمساعدة في تقييد آلياتها .
سيكون CMB-S4 حساسًا جدًا لدرجة أنه حتى خرائطه اليومية ستكون عميقة بما يكفي لاكتشاف الظواهر اللحظية لموجة ملم MMW – سواء كانت مكانية من الأجسام القريبة التي تتحرك عبر مجالنا ، أو مؤقتة من الأجسام البعيدة التي تنفجر في مجالنا.
نظرًا لمجال رؤيتها الكبير ، ستكون CMB-S4 أداة ممتازة لاكتشافالاحداث الانية ولكنها أقل فائدة في عمليات المراقبة اللاحقة. لذلك فإن الخطة هي إصدار تنبيهات يومية للفرق الأخرى لمتابعة الملاحظات المستهدفة.
في حين أنه سيكون من الممكن تلبية جميع الأهداف العلمية CMB-S4 من خلال مسح واحد فإن النتيجة – ستتطلب حساسية مسح عبر منطقة التضخم لمسح بقايا الضوء – ستكون باهظة الثمن. بدلاً من ذلك تم فصل المتطلبات في مسح عميق للغاية لمساحة صغيرة لتلبية الهدف التضخم ومسح عميق واسع النطاق لتلبية هدف بقايا الضوء
بعد تحديد متطلبات المسح وجب تحديد المواقع التي يمكن إجراء هذه الملاحظات فيها بشكل أكثر كفاءة مع مراعاة التكلفة والجدول الزمني والمخاطر المرتبطة بها.
يعد بخار الماء مصدرًا مهمًا للضوضاء عند ترددات الميكروويف لذا فإن الشرط الأول في أي موقع هو أن يكون مرتفعًا وجافًا.
هناك عدد قليل من المواقع التي تلبي هذا المطلب واثنان منها – القطب الجنوبي وصحراء أتاكاما الشيلية – تتمتعان بظروف جوية استثنائية تجعل مواقعهم على الأرض أيضًا مناسبة بشكل مثالي لاستراتيجية المسح الثنائي CMB-S4
يتيح لنا الموقع القطبي مراقبة رقعة صغيرة من السماء باستمرار وتقليل الوقت اللازم للوصول إلى عمق المراقبة المطلوب ويسمح الموقع التشيلي الأكثر استوائية لاخذ ملاحظات على مساحة كبيرة من السماء.
