حقوق الصورة: ناسا
يواجه علماء الفلك الذين يرغبون في دراسة الكون المبكر مشكلة أساسية. كيف تلاحظ ما كان موجودًا خلال "العصور المظلمة" قبل أن تتشكل النجوم الأولى لإشعالها؟ وجد المنظران أبراهام لوب وماتياس زالدارياجا (مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية) حلاً. حسبوا أن الفلكيين يمكنهم اكتشاف الذرات الأولى في الكون المبكر من خلال البحث عن الظلال التي يرمونها.
لرؤية الظلال ، يجب على المراقب دراسة الخلفية الكونية للميكروويف (CMB) - الإشعاع المتبقي من عصر إعادة التركيب. عندما كان عمر الكون حوالي 370،000 سنة ، كان باردًا بما فيه الكفاية لتتحد الإلكترونات والبروتونات ، وتتحد مجددًا في ذرات الهيدروجين المحايدة وتسمح لإشعاع CMB المتبقي من الانفجار الكبير بالسفر دون عوائق تقريبًا عبر الكون خلال 13 مليار سنة.
مع مرور الوقت ، واجهت بعض فوتونات CMB كتل من غاز الهيدروجين وتم امتصاصها. من خلال البحث عن مناطق بها عدد أقل من الفوتونات - مناطق مظللة بالهيدروجين - يستطيع الفلكيون تحديد توزيع المادة في الكون المبكر جدًا.
قال لوب: "هناك كمية هائلة من المعلومات المطبوعة على سماء الميكروويف والتي يمكن أن تعلمنا عن الظروف الأولية للكون بدقة رائعة".
التضخم والمادة المظلمة
لامتصاص فوتونات CMB ، يجب أن تكون درجة حرارة الهيدروجين (خاصة درجة حرارة الإثارة) أقل من درجة حرارة إشعاع CMB - الظروف التي كانت موجودة فقط عندما كان عمر الكون بين 20 و 100 مليون سنة (عمر الكون: 13.7 مليار سنة). وبالمصادفة ، يحدث هذا أيضًا قبل تكوين أي نجوم أو مجرات بفتح نافذة فريدة على ما يسمى "العصور المظلمة".
تسمح دراسة ظلال CMB أيضًا لعلماء الفلك بمراقبة الهياكل الأصغر بكثير مما كان ممكنًا في السابق باستخدام أدوات مثل القمر الصناعي Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). يمكن لتقنية الظل أن تكتشف كتل الهيدروجين الصغيرة التي يصل طولها إلى 30000 سنة ضوئية في الكون الحالي ، أو ما يعادل 300 سنة ضوئية فقط في الكون البدائي. (نما المقياس بشكل أكبر مع توسع الكون.) مثل هذا القرار هو أفضل 1000 مرة من دقة WMAP.
"توفر هذه الطريقة نافذة على فيزياء الكون المبكر جدًا ، وهي حقبة التضخم التي يُعتقد أنه تم خلالها إنتاج تقلبات في توزيع المادة. علاوة على ذلك ، يمكننا تحديد ما إذا كانت النيوترينوات أو نوع غير معروف من الجسيمات يساهم بشكل كبير في كمية "المادة المظلمة" في الكون. وقال لوب إن هذه الأسئلة - ما حدث خلال عصر التضخم وما هي المادة المظلمة - هي مشكلات رئيسية في علم الكونيات الحديث ، والتي ستعطي إجاباتها رؤى أساسية لطبيعة الكون.
تحدي الملاحظة
تمتص ذرات الهيدروجين فوتونات CMB عند طول موجة محدد 21 سم (8 بوصات). إن تمدد الكون يمتد إلى طول الموجة في ظاهرة تسمى الانزياح الأحمر (لأن الطول الموجي الأطول أكثر احمرارًا). لذلك ، لمراقبة امتصاص 21 سم من الكون المبكر ، يجب على الفلكيين النظر إلى أطوال موجية أطول من 6 إلى 21 مترًا (20 إلى 70 قدمًا) ، في الجزء الراديوي من الطيف الكهرومغناطيسي.
سيكون من الصعب مراقبة ظلال CMB عند أطوال الموجات الراديوية بسبب التداخل من مصادر السماء الأمامية. لجمع بيانات دقيقة ، سيتعين على الفلكيين استخدام الجيل التالي من المقاريب الراديوية ، مثل مصفوفة التردد المنخفض (LOFAR) وصفيف الكيلومتر المربع (SKA). على الرغم من أن الملاحظات ستكون تحديًا ، إلا أن المردود المحتمل كبير.
"هناك منجم ذهب للمعلومات ينتظر استخراجه. على الرغم من أن الكشف الكامل قد يمثل تحديًا تجريبيًا ، إلا أنه من المجزي معرفة أنه موجود وأنه يمكننا محاولة قياسه في المستقبل القريب.
سيتم نشر هذا البحث في العدد القادم من رسائل المراجعة الفيزيائية ، وهو متاح حاليًا على الإنترنت على http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
يقع مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية في كامبريدج ، ماساتشوستس ، وهو تعاون مشترك بين مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية ومرصد كلية هارفارد. يدرس علماء CfA ، في ستة أقسام بحثية ، أصل الكون وتطوره ومصيره النهائي.
المصدر الأصلي: بيان صحفي من جامعة هارفارد CfA
