رازگشایی از بیگ بنگ: از نگاه کردن به تصاویر تابش زمینه کیهانی چه می‌آموزیم؟

هنگامی که به عکس‌های کودکی فرزندانتان نگاه می‌کنید، ممکن است نشانه‌هایی از شخصیت یا رفتار آن‌ها در بزرگسالی را ببینید – یک نگاه خاص در چشم‌ها، اشاره به نقطه‌ای خاص و یا شیطنتی در رفتار. دانشمندان نیز به همین ترتیب، تلاش دارند تا با مشاهده تصاویر مرتبط به عالم اولیه در کیهان‌شناسی، چگونگی رشد و تحول کیهان تا به امروز را درک کنند. تصویری که در پایین مشاهده می‌کنید، «تابش زمینه ریزموج کیهانی» یا «CMB» است. این تابش که از اولین لحظات شکل‌گیری عالم به جا مانده است، درخششی ضعیف از فوتون‌ها (نور) است که سراسر عالم را دربرگرفته و در همه جهات جهان نیز قابل اندازه‌‎گیری است.

ناسا در اواخر سپتامبر قصد دارد یک رصدخانه نجومی را در نیومکزیکو راه‌اندازی کند تا به کمک آن به مطالعه تصاویر عالم اولیه بپردازد – عالم اولیه را می‌توان کیهان کودک نامید، یعنی زمانی که کیهان ما بسیار کوچک و کم سن بوده است. از سوی دیگر، کاوشگری با نام «PIPER» قصد دارد تا با بررسی میزان قطبیدگی این فوتون‌ها، ناهمسانگردی‌های موجود در این طیف تابشی را اندازه بگیرد – تابش زمینه موج کیهانی بسیار همسانگرد است. با این‌حال، میزان جزئی ناهمسانگردی، در حدود یک مرتبه از هر صدهزار مرتبه، در آن وجود دارد که برای کیهان‌شناسان بسیار حائز اهمیت است. CMB بسیار سرد است. میانگین دمای آن در حدود 455- درجه فارنهایت است. این تابش حدود سیصد و هشتاد هزار سال پس از انفجار بزرگ – انفجاری در 13.8 میلیارد سال پیش که دانشمندان عقیده دارند موجب شکل‌گیری عالم شد – شکل گرفته است. دانشمندان که به صورت تصادفی موفق به کشف CMB شدند، تا مدت‌ها گمان می‌کردند ساختاری بسیار یکدست و همسانگرد دارد اما به مرور متوجه شدند اختلاف دمایی جزئی در نقاط مختلف آن دیده می‌شود. CMB قدیمی‌ترین نور در جهان است که می‌توانیم در اطراف خود ببینیم. هرچیزی پیش از CMB در این عالم بسیار تاریک و محو است.

پیش از CMB جهان تنها یک پلاسمای داغ و متراکم بوده است ( با دمایی در حدود 5000 میلیون درجه فارنهایت). این دما آنقدر بالا است که اتم‌ها هنوز امکان موجودیت نداشته‌اند. در آن زمان جهان تنها یک سوپ بسیار داغ از الکترون‌ها و پروتون‌ها بوده است. الکترون‌ها در اطراف فوتون‌ها – نور – رفتار اندرکنشی بسیار جالبی دارند. آن‌ها به نوعی سبب پخش‌شدگی فوتون می‌شوند – نور چراغ جلوی ماشین را در میان مه تصور کنید که چطور در فضا پخش می‌شود.

پس از بیگ بنگ، جهان با سرعت در همه جهات گسترش یافت. این گسترش هنوز هم درحال وقوع است. با ادامه انبساط، جهان سرد و سردتر شد. زمانی که کیهان به سیصد و هشتاد هزار سالگی خود رسید، آنقدر سرد شده بود که الکترون‌ها و پروتون‌ها می‌توانستند با یکدیگر ترکیب شوند تا اولین اتم‌های هیدروژن را شکل دهند. دانشمندان این دوره را «بازترکیب» می‌نامند. اتم‌های هیدروژن نور را به خوبی الکترون پخش نمی‌کنند. با این‌حال نور مدت زمان کافی برای آنکه به صورت یکدست در سراسر عالم پخش شود را، داشته است.

نوری که امروزه از CMB می‌بینیم، از دوران بازترکیب می‌آید. این نور با سفر در سراسر جهان و با تشکیل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، انرژی اولیه خود را از دست داد. امروزه ما این نور را در طیف ریزموج الکترومغناطیسی می‌بینیم. این طیف انرژی کمتری نسبت به نور مرئی دارد به همین دلیل است که چشمان ما قادر به دیدن آن در محیط نیست. اولین تصاویر از CMB در سال‌های 1989 تا 1993 گرفته شده است.

چرا به CMB علاقه‌مندیم؟

تابش ریزموج کیهانی به ما کمک می‌کند تا در مورد ساختار جهان پیرامون خود اطلاعات زیادی بدست آوریم. به عنوان مثال کاوشگر «ویلکینسون» با تهیه یک نقشه بسیار دقیق از این تابش کمک کرد تا بفهمیم عالم ما از 68 درصد انرژی تاریک، 27 درصد ماده تاریک و فقط 5 درصد ماده معمولی تشکیل شده است. ماده معمولی، به ماده‌ای گفته می‌شود که من، شما، زمین و ستارگان از آن ساخته شده‌اند.

درست پس از بیگ بنگ، جهان بسیار کوچک بوده است. تمام آنچه که امروز در عالم می‌بینیم درون یک پروتون جمع شده بود. دانشمندان حدس می‌زنند اگر عالم از ابعادی به این کوچکی آغاز شده باشد، پس قوانین معمول فیزیک برای توصیف لحظات اولیه آن کاربرد ندارد. آن‌ها برای بیان آنکه دقیقا در بیگ بنگ و لحظات پس از آن چه اتفاقی افتاده است، به سراغ قوانین مکانیک کوانتومی می‌روند. مکانیک کوانتومی اجازه می‌دهد تا انواع اتفاقات عجیب و غریب در عالم رخ دهد. مثلا می‌توان توجیه کرد که عالم چطور در عرض کمتر از یک ثانیه منبسط شده و شعاع آن تریلیون‌ها بار افزایش یافته است.

این حجم از هرج و مرج در عالم سبب تولید امواج گرانشی اولیه شده است (امواج گرانشی به صورت کلی به امواج حاصل از ادغام دو ستاره نوترونی یا ستاره نوترونی و سیاهچاله گفته می‌شود. اما در اینجا منظور امواج اولیه در عالم است که ناشی از فرآیندهای کیهانی در لحظات ابتدایی شکل‌گیری عالم است). سیگنال امواج گرانشی اولیه شبیه به نویز است.

این امواج گرانشی جهان تازه متولد شده ما را پر کردند و الگوهایی متمایز به نام «قطبش B» را در نور CMB ایجاد کردند. این الگوها متقارن نیستند. از سوی دیگر نوعی قطبش نیز در عالم وجود دارد که «قطبش E» نامیده می‎‌شود. این نوع قطبش، متقارن است و بازتاب‌دهنده توزیع ماده در جهان است.

اینجاست که نقش PIPER مشخص می‌شود. دو تلسکوپ این سیستم در ظرفی مملو از هلیوم مایع قرار دارند که دمای آن در حدود 452- درجه فارنهایت است. این تلسکوپ‌ها قادر هستند 85 درصد از کرانه آسمان بالای سرمان را با دقت بسیار بالایی رصد کنند. بنابراین به ما کمک می‌کنند اطلاعات بسیاری در مورد روزهای اولیه کیهان بدست آوریم. همچنین با مطالعه این قطبش‌ها درخواهیم یافت که کیهان چطور تحول یافته است.