راهی برای درک پیوند تابش زمینه کیهانی با نخستین کهکشان‌ها فراهم می‌کند

متأسفانه، چند صد هزار سال اول کیهان در یک مه غیرقابل نفوذ پنهان شده است. تاکنون هیچ‌کس نتواسته از این مه عبور کند و به انفجار بزرگ (Big Bang) نگاه کند. اما به نظر می‌رسد که اخترشناسان با استفاده از داده‌های تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما (ACT) در شیلی، در حال شکافتن این مه کیهانی هستند.

ACT نوری را اندازه‌گیری کرده است که برای اولین بار حدود ۳۸۰,۰۰۰ سال پس از انفجار بزرگ از کیهان جوان منتشر شد. طبق گفته سوزان استاگس، مدیر کنسرسیوم، این اندازه‌گیری پنجره‌ای به زمان باز کرده است که اولین ساختارهای کیهانی شروع به شکل‌گیری کرده‌اند. او گفت: «ما اولین قدم‌ها به سمت ساخت نخستین ستارگان و کهکشان‌ها را می‌بینیم. و فقط نور و تاریکی نمی‌بینیم، بلکه قطبش نور را در وضوح بالا می‌بینیم. این یک ویژگی متمایزکننده است که ACT را از پلانک و سایر تلسکوپ‌های قبلی متمایز می‌کند.»

داده‌ها و تصاویر شفاف‌تر از ACT همچنین به دانشمندان کمک می‌کند تا درک کنند که دقیقاً چه زمانی و در کجا نخستین کهکشان‌ها شروع به شکل‌گیری کرده‌اند. اگر داده‌های ACT تأیید شوند، آن‌ها اولین تصویر کودکانه از کیهان را نشان می‌دهند و به دانشمندان نشان می‌دهند که دانه‌های کهکشان‌ها چگونه تنها چند صد هزار سال پس از انفجار بزرگ به نظر می‌رسیدند.

چگونگی ارائه تصویر کودکانه کیهانی توسط ACT

استاگس و دیگر اعضای همکاری ACT بر تغییرات بسیار ظریف در چگالی و سرعت گازها در کیهان جوان تمرکز کردند. طبق گفته مارک دولین، معاون مدیر ACT، این یک فرآیند طولانی بود. او گفت: «برای انجام این اندازه‌گیری جدید، به یک مشاهده پنج‌ساله با یک تلسکوپ حساس تنظیم شده برای دیدن نور با طول‌موج میلی‌متری نیاز داشتیم.» او اشاره کرد که این مشاهدات به آشکارسازهای حساس و پشتیبانی رایانه‌ای نیاز داشت.

این همکاری قطبش نور از پس‌زمینه کیهانی میکروویو (CMB) را اندازه‌گیری کرد. این همان نور میکروویو ضعیف است که فضای کیهان را پر کرده است. این قدیمی‌ترین نور در کیهان است و نمایانگر دوره‌ای است که نور برای اولین بار توانست آزادانه در کیهان نوزاد حرکت کند. قبل از آن زمان، فضا پر از «پلاسمای اولیه» بود که بسیار داغ بود و اجازه نمی‌داد نور منتشر شود. بنابراین، به طور کلی، همه‌چیز و همه‌جا تاریک بود. CMB همان تابش ضعیف نوری است که در نهایت توانست به راحتی حرکت کند. این تابش نشان‌دهنده تغییرات دمایی جزئی در نواحی مختلف است که نشان‌دهنده تغییرات در چگالی گاز و نحوه حرکت آن در فضا است. این تغییرات به‌عنوان «دانه‌ها»ی ستارگان و کهکشان‌های آینده در نظر گرفته می‌شوند.

یک بخش کوچک از نور CMB زمانی که با اولین «ساختارهای چگالی» در کیهان نوزاد تعامل کرد، قطبیده شد. اساساً، این نور در جهتی متفاوت از بقیه نور ارتعاش می‌کند. امواج نور در همه جهات ارتعاش می‌کنند، اما زمانی که به سطحی برخورد می‌کنند، می‌توانند به یک جهت خاص منتقل شوند. در زمین، ساده‌ترین راه برای درک این امر، استفاده از عینک‌های آفتابی قطبیده است. این عینک‌ها امواج نور قطبیده افقی که از سطح‌هایی مانند آب بازتاب می‌شوند را مسدود می‌کنند. در فضا، زمانی که یک موج نور به ابر گازی برخورد می‌کند، آن را قطبیده کرده و جهت ارتعاش آن تغییر می‌کند. قطبش می‌تواند اطلاعاتی در مورد شیئی که موج نور را منحرف کرده است، فاش کند. در اینجا، این تغییر زمانی اتفاق افتاد که نور اولیه از ساختارهای چگالی که آن زمان وجود داشتند، بازتابید.

کشف قطبش نور از CMB

ACT اولین تلسکوپ نبوده است که این دوره از تاریخ کیهانی را مطالعه کرده است. به‌عنوان مثال، ماهواره پلانک نیز نور ضعیف CMB را اندازه‌گیری کرد. طبق گفته سیگورد نس، عضو تیم ACT، ACT عملکرد بهتری داشته است. او گفت: «ACT پنج برابر رزولوشن پلانک و حساسیت بیشتری دارد. این به این معنی است که سیگنال ضعیف قطبش اکنون به‌طور مستقیم قابل مشاهده است.»

تصاویر قطبش‌شده به‌دست‌آمده از ACT حرکت دقیق گازهای هیدروژن و هلیوم در کیهان اولیه را نشان می‌دهند. استاگس گفت: «قبلاً می‌توانستیم ببینیم که چیزها کجا هستند، و حالا همچنین می‌بینیم که چگونه حرکت می‌کنند.» «مثل استفاده از جزر و مد برای استنباط وجود ماه، حرکتی که توسط قطبش نور دنبال می‌شود به ما می‌گوید که کشش گرانشی در نواحی مختلف فضا چقدر قوی بوده است.»

تصاویر ACT از نور قطبیده‌شده از CMB تغییرات ظریف در چگالی و سرعت گازهایی که کیهان جوان را پر کرده بودند نشان می‌دهند. آنچه که به نظر می‌رسد ابرهای مه‌آلود در شدت نور هستند، نواحی کم‌چگالی و پربار در دریای هیدروژن و هلیوم هستند. این نواحی به میلیون‌ها سال نوری گسترش یافته‌اند. در نهایت، گرانش نواحی متراکم‌تر را به هم کشید و ستارگان و کهکشان‌ها را شکل داد. نمای دقیق آن‌ها در چنین دوره اولیه‌ای از زمان کیهانی به دانشمندان کمک می‌کند تا به برخی از سوالات پیچیده درباره تولد کیهان پاسخ دهند. جو دانکلی، استاد فیزیک و علوم کیهانی در دانشگاه پرینستون و رهبر تحلیل ACT می‌گوید: «با نگاه به زمانی که چیزها بسیار ساده‌تر بودند، می‌توانیم داستان تکامل کیهان را به‌طور کامل بازسازی کنیم.»

افشای بیشتر

داده‌های ACT همچنین اطلاعاتی در مورد دیگر اجرام فضایی، از جمله کهکشان راه شیری، کهکشان‌های دیگر و خوشه‌های کهکشانی فراهم می‌کند. به نوعی، این داده‌ها تکامل کیهان را از دوران کودکی تا زمان‌های مدرن ردیابی می‌کنند. اما طبق گفته ارمانیا کالبریس، نویسنده اصلی یکی از مقالات مرتبط با مشاهدات ACT، این داده‌ها به چیز دیگری نیز اشاره می‌کنند.

او گفت: «ما اندازه‌گیری دقیق‌تری انجام داده‌ایم که نشان می‌دهد کیهان قابل مشاهده تقریباً ۵۰ میلیارد سال نوری در تمام جهات از ما گسترش دارد و دارای جرمی به اندازه ۱۹۰۰ زتا-خورشید است، یا تقریباً ۲ تریلیون تریلیون خورشید.» کالبریس افزود: «از این ۱۹۰۰ زتا-خورشید، جرم ماده عادی – نوعی که می‌توانیم ببینیم و اندازه‌گیری کنیم – فقط ۱۰۰ زتا-خورشید است. ۵۰۰ زتا-خورشید از جرم، ماده تاریک مرموز است، و معادل ۱۳۰۰ زتا-خورشید انرژی خلأ غالب (که به آن انرژی تاریک نیز گفته می‌شود) فضای خالی است.»

داده‌های جدید ACT همچنین به دانشمندان کمک کرده‌اند تا سن کیهان را به دقت بیشتری محدود کنند: ۱۳.۸ میلیارد سال. این اندازه‌گیری‌ها همچنین به دانشمندان کمک می‌کند تا سرعت رشد کیهان را در دوران مدرن بهتر درک کنند. این اندازه‌گیری‌های جدید به دانشمندان کمک خواهد کرد تا به‌طور مؤثر به رصدهای آینده در رصدخانه سیمونز در شیلی منتقل شوند. مانند ACT، این رصدخانه نیز بر مطالعات CMB متمرکز خواهد شد و بخش‌های وسیعی از آسمان را در چندین فرکانس مشاهده خواهد کرد.