تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي

في بعض الأحيان تكون الاكتشافات العلمية الأكثر إذهالاً هي الأقل توقُّعاً، وتحدث بالصدفة أكثر من كونها مقصودة، على سبيل المثال: الفيزيائيان أرنو بينزياس وروبرت ويلسون (Arno Penzias and Robert Wilson) من مختبرات بيل، اللذان شرعا في رسم خريطةٍ للإشارات الراديوية من مجرّة ​​درب التبّانة، وانتهى بهما المطاف إلى أن يكونا أول من قام بقياس إشعاع الخلفية الكوني.

لقد جعل اكتشافهما العظيم من الممكن الحصول على معلوماتٍ حول العمليات الكونية التي حدثت قبل حوالي 14 مليار سنة، وغير علم الكونيات إلى الأبد، وحوّله من تخصّص قِلةٍ مختارةٍ من علماء الفلك إلى فرعٍ محترمٍ من الفيزياء بين عشية وضحاها تقريبًا. في الخمسينيات من القرن العشرين، كانت هناك نظريتان أساسيتان حول أصل الكون، وكانت الأولى نظرية الحالة الثابتة، التي زعمت أن الكون متجانسٌ في المكان والزمان، وسيظل كذلك إلى الأبد. أما النظرية الأكثر إثارةً للجدل، فقد سعت إلى دمج اكتشاف إدوين هابل في عام 1929 بأن المجرّات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض بسرعاتٍ ملحوظة.

لقد زعم عددٌ من الفيزيائيين بقيادة جورج جامو أن المسافة بين المجرّات لابدّ وأن تكون أصغر في الماضي، وهذا يعني أن الكون كان في وقتٍ ما كثيفاً إلى ما لا نهاية. لقد نشأ كل شيءٍ في الكون من هذه الحالة الشديدة الكثافة والسخونة في انفجارٍ يسمّى “الانفجار الكبير”. لقد قامت مختبرات بيل ببناء هوائي عملاق على شكل قرن يبلغ طوله 6 أمتار في نيوجيرسي في عام 1960 كجزءٍ من نظام إرسال الأقمار الصناعية المبكر جداً المسمّى إيكو (Echo)، ولكن إطلاق القمر الصناعي تيسلا بعد بضع سنوات جعل نظام إيكو عتيقاً للتطبيق التجاري المقصود.

اغتنم بينزياس وويلسون الفرصة لاستخدام الهوائي كمنظارٍ لاسلكي لتضخيم وقياس الإشارات الراديوية من المسافات بين المجرّات. للقيام بذلك، كان عليهما القضاء على جميع التداخلات التي يمكن التعرُّف عليها من جهاز الاستقبال الخاص بهم، وإزالة تأثيرات الرادار والبث الإذاعي، وقمع التداخل من قلب جهاز الاستقبال نفسه عن طريق تبريده بالهيليوم السائل.

ولكن عندما قام بينزياس وويلسون بتقليص بياناتهما، وجدا ضوضاء مزعجةً في الخلفية، مثل: التشويش في الراديو، والتي تداخلت مع ملاحظاتهما، وكانت الضوضاء عبارة عن إشارةٍ موحّدةٍ في نطاق الموجات الدقيقة (بطولٍ موجي 7.35 سنتيمتر)، ويبدو أنها تأتي من جميع الاتجاهات.

فحص بينزياس وويلسون كل ما يمكنهما التفكير فيه لاستبعاد مصدر الإشعاع الزائد، وجها الهوائي نحو مدينة نيويورك، ووجدا أنه لم يكن بسبب الأجهزة ولا كان إشعاعًا من مجرّتنا أو مصادر راديو خارج الأرض. وأخيرًا، قررا أن المشكلة قد تكون بسبب فضلات الحمام التي كانت تجثم في الهوائي على شكل قرن، وصمما مصيدةً للحمام لطرد الطيور، وقضيا ساعاتٍ في إزالة روث الحمام من الجهاز. ومع ذلك، ظل الإشعاع الخلفي موجوداً.

لذا بدأ بينزياس وويلسون في البحث عن تفسيراتٍ نظرية، وفي نفس الوقت تقريباً، افترض الفيزيائي روبرت ديكي (Robert Dicke) من جامعة برينستون أنه إذا تمّت بداية الكون وفقاً لنظرية الانفجار العظيم، فإن الإشعاع الخلفي المنخفض المستوى عند حوالي 3 درجات كلفن سوف يوجد في جميع أنحاء الكون.

بدأ ديكي في البحث عن أدلةٍ لدعم نظريته عندما اتصل بينزياس وويلسون بمختبره، وزار مختبرات بيل، وأكد أن الإشارة الراديوية الغامضة كانت في الواقع الإشعاع الخلفي الكوني – دليل الانفجار العظيم. شارك ديكي عمله النظري مع باحثي مختبرات بيل، حتى عندما اعترف باستسلام لزملائه في برينستون، “لقد سبقونا”.

نشرت المجموعتان نتائجهما في نفس الوقت في مجلة الفيزياء الفلكية Astrophysical Journal Letters. في عام 1978، نال بينزياس وويلسون جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشافهما الصدفة لخلفية الموجات الميكروية الكونية. بعد أكثر من ثلاثة عقود من الزمان، أرسلت وكالة ناسا القمر الصناعي “مستكشف الخلفية الكونية للموجات الميكروية” إلى مداره للتحقيق في خلفية الموجات الميكروية الكونية بتفاصيل كبيرة، مما أدى إلى إنتاج أول خريطةٍ مُفصّلةٍ لتحليل “الإشارات”، في خلفية الموجات الميكروية.

تمّ تصنيف هوائي الراديو العملاق في هولمديل كمعلَمٍ تاريخي وطني في عام 1990، حتى مصيدة الحمام المتواضعة وجدت طريقها إلى الأجيال القادمة، وهي الآن واحدةٌ من القطع الأثرية الرئيسية المعروضة بشكلٍ دائمٍ في واشنطن العاصمة، كجزءٍ من معرضٍ جديدٍ في المتحف الوطني للطيران والفضاء التابع لمعهد سميثسونيان، والذي افتتح لأول مرةٍ في سبتمبر 2001، بعنوان “استكشاف الكون”.

وقد سجل بينزياس وويلسون في التاريخ العلمي لاكتشافهما العظيم الذي فتح نافذةً على الكون المبكر، مما مكن علماء الفلك والفيزياء من رؤية الظروف الأولية التي نشأ منها جمال الكون الحالي. ^[1]

كيف تشكل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي؟

بما أن الكون يتمدّد، ففي وقتٍ سابقٍ كان كل شيءٍ في الكون أقرب إلى بعضه البعض، مما هو عليه اليوم، وبالتالي كانت كثافة المادة والطاقة أكبر بكثيرٍ مما هي عليه اليوم، وبما أن الغازات المضغوطة تصبح أكثر سخونة، فإن أي غازٍ في الكون كان عند درجة حرارة أعلى بكثير.

ومنذ فترةٍ طويلة كانت الكثافة ودرجة الحرارة مرتفعتين بما يكفي لتفكك ذرات الهيدروجين بمجرد تشكلها، لذلك يجب أن تكون المادة في الكون عبارة عن حساء من البروتونات والإلكترونات. كانت البروتونات والإلكترونات والفوتونات مقترنةً بإحكام، حيث في كل مرة تتشكل فيها ذرة هيدروجين، يقوم فوتون بتأين الذرة وتقسيمها مرةً أخرى.

العصر الذي بردت فيه الأشياء بما يكفي لبقاء ذرات الهيدروجين هو العصر الذي انفصلت فيه المادة والفوتونات بالتالي الخلفية الكونية ((CMB) Cosmic microwave background). بالتالي توفر الخلفية الكونية الميكروية صورةً للكون بعد فترةٍ من توسّعه، لأن الضوء الذي نراه اليوم (الفوتونات) لا يزال يحمل بصمة المادة في هذا الوقت المبكر. ^[2]

ما هي التطبيقات الفيزيائية لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي؟

1- عدسة الخلفية الكونية الميكروية ومجموع كتل النيوترينو

عندما تنتقل فوتونات الخلفية الكونية الميكروية إلينا، تنحرف مساراتها بسبب الإمكانات الجاذبية، ويستخدم العلماء هذه الميزة لاستنتاج خصائص المادة المظلمة.

2- تأثير سونييف-زيلدوفيتش والطاقة المظلمة

عندما تنتقل فوتونات الخلفية الكونية الميكروية عبر مناطق كثيفة، مثل: المجرّات، والمجموعات والعناقيد المجرية، فإن بعضها يخضع لتشتّتٍ يسمّى تشتّت كومبتون العكسي على الإلكترونات في الغاز الساخن المؤين، وهذا يشوّه طيف إشعاع الجسم الأسود للخلفية الكونية الميكروية، ويوفر طريقةً للبحث عن مجموعات المجرّات، حتى في الانزياحات الحمراء العالية، حيث يصعب إجراء المسوحات الضوئية والأشعة السينية. يستخدم العلماء كثافة عدد مجموعات المجرّات لفهم التسارع المتأخر لتوسّع الكون، والذي تحركه الطاقة المظلمة. ^[3]

ما هو تلسكوب CMB؟

تلسكوبٌ مصمّمٌ لتوفير زيادةٍ هائلةٍ في الحساسية لرسم خريطة الخلفية الكونية، وهو قادرٌ على تحقيق هذا التحسّن باستخدام تصميماتٍ بصريةٍ جديدةٍ تدعم الكاميرات ذات المستويات البؤرية الكبيرة للغاية، والتي تحتوي كلاً منها على ما يقرب من 130 ألف كاشف فائق التوصيل، كما تمّ تصميم بصريات التلسكوب لتقليل أي ضوءٍ ميكروي تشويشي، مثل: الانبعاثات من الأرض والهياكل الأخرى.  ^[4]