الشفق اللاحق للانفجار العظيم يكشف عن الهياكل الكونية غير المرئية

ما يقرب من 400000 سنة بعد الانفجار العظيم ، بردت البلازما البدائية للكون الرضيع بما يكفي لتتحد الذرات الأولى ، مما أتاح مساحة للإشعاع المضمن لتحريره. هذا الضوء – الخلفية الكونية الميكروية (CMB) – يستمر في التدفق عبر السماء في جميع الاتجاهات ، ويبث لقطة للكون المبكر التقطتها التلسكوبات المخصصة وحتى كشفت في الثبات على تلفزيونات أشعة الكاثود القديمة.

بعد أن اكتشف العلماء إشعاع CMB في عام 1965 ، رسموا بدقة الاختلافات الدقيقة في درجات الحرارة ، والتي أظهرت الحالة الدقيقة للكون عندما كان مجرد بلازما مزبد. الآن يقومون بإعادة استخدام بيانات CMB لفهرسة الهياكل واسعة النطاق التي تطورت على مدى مليارات السنين مع نضوج الكون.

قالت كيمي وو ، عالمة الكونيات في مختبر التسريع الوطني SLAC: “لقد شهد هذا الضوء جزءًا كبيرًا من تاريخ الكون ، ومن خلال رؤية كيفية تغيره ، يمكننا التعرف على عصور مختلفة”.

على مدار رحلته التي استغرقت 14 مليار عام تقريبًا ، تم شد الضوء الصادر من CMB وضغطه وتشوهه بسبب كل ما في طريقه. بدأ علماء الكونيات في النظر إلى ما وراء التقلبات الأولية في ضوء الإشعاع CMB إلى البصمات الثانوية التي خلفتها التفاعلات مع المجرات والبنى الكونية الأخرى. من هذه الإشارات ، يكتسبون رؤية أوضح لتوزيع كل من المادة العادية – كل ما يتكون من أجزاء ذرية – والمادة المظلمة الغامضة. في المقابل ، تساعد هذه الأفكار في تسوية بعض الألغاز الكونية القديمة وطرح بعض الألغاز الجديدة.

نحن ندرك أن CMB لا تخبرنا فقط عن الظروف الأولية للكون. قال إيمانويل شان ، عالم الكونيات أيضًا في SLAC ، إنه يخبرنا أيضًا عن المجرات نفسها. “وتبين أن هذا قوي حقًا.”

كون من الظلال

المسوحات الضوئية القياسية ، التي تتعقب الضوء المنبعث من النجوم ، تتغاضى عن معظم الكتلة الأساسية للمجرات. ذلك لأن الغالبية العظمى من محتوى المادة الكلي في الكون غير مرئي للتلسكوبات – مخفية عن الأنظار إما على شكل كتل من المادة المظلمة أو كالغاز المتأين المنتشر الذي يربط المجرات. لكن كلاً من المادة المظلمة والغاز المتناثر يتركان بصمات يمكن اكتشافها على تكبير ولون ضوء CMB الوارد.

قال شان: “الكون هو في الحقيقة مسرح ظل تكون فيه المجرات هي الأبطال ، و CMB هي الإضاءة الخلفية”.

بدأ العديد من لاعبي الظل الآن في الراحة.

عندما تشتت جسيمات الضوء ، أو الفوتونات ، من CMB عن الإلكترونات في الغاز بين المجرات ، فإنها تصطدم بطاقات أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت تلك المجرات في حالة حركة بالنسبة للكون المتسع ، فإن فوتونات إشعاع الخلفية الكونية الميكروية تحصل على تحول ثانٍ للطاقة ، إما لأعلى أو لأسفل ، اعتمادًا على الحركة النسبية للعنقود.

تم وضع نظرية هذا الزوج من التأثيرات ، المعروف على التوالي باسم التأثيرات الحرارية والحركية Sunyaev-Zel’dovich (SZ) ، لأول مرة في أواخر الستينيات وتم اكتشافه بدقة متزايدة في العقد الماضي. معًا ، تترك تأثيرات SZ توقيعًا مميزًا يمكن إزالته من صور CMB ، مما يسمح للعلماء بتعيين موقع ودرجة حرارة جميع المواد العادية في الكون.

أخيرًا ، هناك تأثير ثالث يُعرف باسم انعكاس الجاذبية الضعيف الذي يشوه مسار ضوء CMB أثناء انتقاله بالقرب من الأجسام الضخمة ، مما يؤدي إلى تشويه CMB كما لو كان يُنظر إليه من خلال قاعدة كأس النبيذ. على عكس تأثيرات SZ ، فإن العدسة حساسة لجميع المواد – مظلمة أو غير ذلك.

مجتمعة ، تسمح هذه التأثيرات لعلماء الكون بفصل المادة العادية عن المادة المظلمة. بعد ذلك ، يمكن للعلماء تراكب هذه الخرائط بصور من استطلاعات المجرات لقياس المسافات الكونية وحتى تتبع تشكل النجوم.