8 دقیقه
ستاره‌شناسان و کیهان‌شناسان موفق شده‌اند یک اندازهگیری بسیار دقیق از دمای جهان در دوره‌ای به فاصله حدود هفت میلیارد سال پیش انجام دهند — نتیجه‌ای که با یکی از پیش‌بینی‌های اساسی کیهانشناسی مِدل مِهبانگ (Big Bang) هماهنگی روشنی دارد. با استفاده از مشاهدات بایگانی‌شده از آرایه میلی‌متری/زیربشری آتاکاما (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array - ALMA)، یک تیم ژاپنی دمای تابش زمینهای مایکروویو کیهانی (CMB) را در یک بازهٔ زمانی میانی اندازهگیری کردند و دریافتند که این دما تقریباً دو برابر دمای کنونی است. این نتیجه علاوه بر اهمیت عینی‌اش، به‌عنوان یک آزمایش حساس برای فرایندهای ترمال در تاریخ کیهان و برای آزمون قانون سرد شدن تابش زمینهای کیهانی عمل میکند.
A precise thermometer for cosmic history
پژوهشگران دانشگاه Keio به رهبری دانشجوی دکترای تاتسویا کوتانی (Tatsuya Kotani) و پروفسور توموهارو اوکا (Tomoharu Oka) پس‌تاب ضعیف مِهبانگ — تابش زمینهای مایکروویو کیهانی — را نه به صورتی که امروز از نزدیک مشاهده می‌شود، بلکه به صورتی که همان تابش حدود هفت میلیارد سال پیش بوده است تحلیل کردند. حاصل این تحلیل: دمای CMB برابر با 5.13 کلوین با عدم قطعیت ±0.06 کلوین بود. برای مقایسه باید گفت دمای فعلی تابش زمینهای مایکروویو در حدود 2.725 کلوین است، بنابراین اندازهگیری تازه تقریباً دو برابر مقدار امروزی را نشان می‌دهد.
این عدد تنها یک دادهٔ جالب نیست؛ بلکه یک آزمون دقیق از پیشبینی پایه‌ای مدل استاندارد کیهانشناسی است: طبق این مدل، با گسترش جهان، تابش زمینهای مایکروویو سرد می‌شود و دما متناسب با (1 + z) تغییر میکند، که در آن z نماد قرمزگرایی (redshift) است. تأیید دمای CMB در زمان‌های میانی (intermediate redshift) یک محک مهم برای این قانون سرد شدن و نیز برای چارچوب کلی توصیف تکامل کیهان به شمار میآید. اندازهگیری 5.13 ± 0.06 K در قرمزگرایی میانی نشان می‌دهد که مقدار (1 + z) برای این بازهٔ زمانی تقریباً برابر با 1.88 بوده است که با برآوردهای نسبی برای z ≈ 0.7 سازگار است.
از منظر روش‌شناختی، چنین اندازه‌گیری‌هایی با تأکید بر فیزیک مولکولی و خطوط جذبی-انتشاری انجام شده‌اند و نشان می‌دهند که ترکیب مشاهدات رادیویی-میلی‌متری، مدلسازی تحریک مولکولی، و دادههای با کیفیت آرشیو ALMA می‌تواند به عنوان ترموترهای دقیق تاریخ کیهان عمل کنند. این رویکرد مکمل نتایج بدست‌آمده از ماهواره‌هایی مانند Planck و دیگر آزمایش‌های CMB است که بیشتر بر مشاهدات انتشاریِ تمام‌آسمان و در قرمزگرایی‌های بالاتر تمرکز داشته‌اند.
How the measurement was made
Temperature map of the cosmic microwave background measured by the Planck spacecraft (ESA and the Planck Collaboration)
تیم پژوهشی طیفهای آرشیوی ALMA را از یک کوئازار پسزمینهٔ درخشان استخراج و بررسی کردند. نور این کوئازار در مسیر خود از فضا عبور کرده و از کهکشانی در جلوی دیدر رخ عبور میکند که در آن زمان حدود هفت میلیارد سال پیش قرار داشته است. مولکول‌های موجود در آن کهکشان جلویی به طرقی نور در فرکانس‌های رادیویی و میلی‌متری را جذب و منتشر میکنند که وابسته به میدان تابشی محیطی است؛ به‌ویژه برخی گونه‌های مولکولی مانند HCN، HCO+، و سایر مولکول‌های قطبی که حساسیت بالایی به دمای پسزمینهٔ تابشی دارند.
در عمل، پژوهشگران خطوط جذب باریکی را که روی طیف کوئازار نقش بسته بودند به‌عنوان «ترمومترهای ریز» به‌کار گرفتند. با مدل‌کردن دقیق تحریک مولکولی (molecular excitation) و توزیع جمعیتی سطوح انرژی مولکول‌ها تحت تأثیر تابش زمینهای به‌علاوهٔ برخوردهای کُند و سریع با الکترون‌ها و مولکول‌های دیگر، امکان استنتاج دمای پسزمینهٔ تابشی فراهم می‌شود. مزیت این روش در این است که فیزیک مولکولی مورد نیاز به خوبی شناخته شده است و دادههای ALMA از نظر رزولوشن طیفی و حساسیت کیفیت بالایی دارند؛ بنابراین عدم قطعیت ±0.06 K برای این بازهٔ قرمزگرایی عددی چشمگیر به حساب میآید.
الگوی تحلیل شامل موارد زیر بود:
- انتخاب یک خط دید مناسب که در آن خطوط مولکولی واضح و فاقد آلودگی پیچیده از ساختار کهکشانی باشد.
- مدلسازی انتقال تشعشع و تحریک سطوح مولکولی با در نظر گرفتن نرخ‌های برخورد و نرخ‌های تابشی.
- تفکیک اثرات محلی (دما و چگالی داخل ابر مولکولی جلویی) از اثرات تابش پسزمینهٔ کیهانی به‌وسیلهٔ ترکیب اطلاعات چندین گذار مولکولی.
- مقایسه نتایج با پیش‌بینی‌های نظری برای T_CMB(z)=T_0(1+z) و تخمین عدم قطعیت‌های سیستماتیک و تصادفی.
در مجموع، این رویکرد چندخطی (multi-line) و چندگونه‌ای (multi-species) باعث شد که تداخلهای محلی کمتر به دقت نهایی اندازهگیری آسیب برسانند و مقدار دما با دقت بالایی به‌دست آید.
The relative positions of the background quasar (bright flare at 11 billion years ago), the foreground galaxy producing HCN absorption (7 billion years ago), and the observer (ALMA; Present day). (Keiko University)
Why this matters for cosmology
تأیید دمای CMB در دوران‌های میانی باعث افزایش اعتماد به نمایهٔ مِدل مِهبانگ و مدل استاندارد ΛCDM می‌شود. تا کنون، اندازه‌گیری‌های مربوط به زمان‌های بسیار ابتدایی کیهان از مأموریت Planck و دیگر رصدخانههای CMB و نیز مشاهدات محلیِ امروز محدودیتهای مهمی بر تاریخِ گرمایی کیهان اعمال کرده‌اند، اما نقاط مرزی در زمان‌های میانی نسبتاً کمتر بوده‌اند. بنابراین اضافه شدن یک نقطهٔ دقیق در z~0.7 شکاف مهمی را پر میکند و نشان می‌دهد که رفتار سرد شدن تابش زمینهای طی میلیاردها سال همان‌طور که نظریه پیشبینی میکند دنبال شده است.
علاوه بر اعتبارسنجی تئوری، نقاط دمایی دقیق در طول زمان کیهانی به محدودکردن فیزیک «غیرمعمول» کمک میکنند. هرگونه انحراف غیرمنتظره از قانون T(z) ∝ (1+z) می‌تواند نشانگر تزریق انرژی از منابع ناآشنا (مثلاً واپاشی یا تبخیر ذرات سنگین)، تعاملات غیراستاندارد در بخش تاریک (dark sector)، یا دیگر فروپاشی‌های شاخص ΛCDM باشد. تا به امروز، اندازه‌گیری‌هایی مانند کار کوتانی و اوکا، محدودهٔ پارامترهای مربوط به چنین سناریوهایی را باریک‌تر کرده‌اند و باعث شده‌اند که مدلهای جایگزین مجبور به پذیرفتن محدودیتهای سخت‌تری شوند.
از منظر دانش ساختار بزرگ‌مقیاس و تاریخ ترموال کیهان، این نتایج همچنین با سایر پروب‌ها مانند اثر سونیاِف-زلدوویچ (Sunyaev–Zel'dovich effect) و مطالعات طیف‌سنجی کهکشان‌ها هم‌پوشانی دارند و امکان ایجاد یک تصویر همبسته (coherent) از چگونگی توزیع و انتقال انرژی در طول زمان کیهان را فراهم میکنند. همزمان، این نوع اندازهگیریها حساسیت به فرآیندهایی را نشان می‌دهند که ممکن است در دادههای کلان-آسمان (all-sky) کمتر برجسته باشند.
What’s next?
کارهای آینده قصد دارند نمونهٔ اندازه‌گیری‌های دمایی در قرمزگرایی‌های میانی را گسترش دهند. برنامه‌ها شامل استفادهٔ گسترده‌تر از آرشیو ALMA، برنامه‌ریزی مشاهدات جدید با ALMA برای هدفگیری گذارهای مولکولی متفاوت و نیز بهره‌گیری از تلسکوپ‌های مکمل در باندهای میلی‌متری و رادیویی است. با افزایش تعداد نقاط دما در طول زمان کیهانی، میتوان آزمون‌های مدلهای کیهانشناسی را تیزتر کرد و در صورتی که نابهنجاری‌های ظریف وجود داشته باشند، شانس کشف آنها را بالا برد.
جزئیات فنی که در مراحل بعدی اهمیت خواهند یافت عبارت‌اند از:
- افزایش نمونهٔ خطوط دید (lines of sight) به منظور کاهش اثرات خوشه‌ای و محلی که ممکن است بر یک یا چند دید خاص تأثیر بگذارند.
- استفاده از گذارهایی با انرژی برانگیختگی مختلف تا حساسیت به دما و چگالی مواد جلویی بهتر تفکیک شود.
- بهبود مدلهای انتقال تشعشع شامل اثرات غیرمحلی و غیرتعادلی که در محیط‌های مولکولی پیچیده رخ می‌دهد.
- ترکیب این مشاهدات با پایش‌های دیگر مانند نقشه‌برداری‌های H I، CO، و دادههای نوری/طیفی برای ساختن یک تصویر جامع از شرایط فیزیکی درون کهکشان‌های جلویی.
تا کنون، این نتیجه یک موفقیت قابل توجه است: یک به‌کارگیری زیبا و دقیق از اخترفیزیک مولکولی برای اندازهگیری تاریخ ترمالی که در پس‌تاب مِهبانگ نگاشته شده است. همچنین از منظر ابزارشناسی، این کار نشان می‌دهد که چگونه آرشیو دادههای رصدی (observational archives) می‌تواند منبعی غنی برای اکتشافات تازه باشد، حتی بدون نیاز به اختصاص زمان تلسکوپ جدید در قدم اول.
در نهایت، این نوع اندازهگیریها باید در کنار دیگر پروب‌ها و شاخص‌های کیهانی قرار گیرند تا یک تصویر کاملاً همبسته از تاریخ انرژی و مادهٔ کیهان حاصل شود. سازگاری بین نتایج Planck، اندازه‌گیری‌های محلی و اندازه‌گیری‌های میانی مثل این مطالعه، اعتماد به مدل ΛCDM و روابط پایه‌ای مانند T(z)=T_0(1+z) را تقویت میکند؛ اما در عین حال چشم‌انداز کشف پدیده‌های جدید در صورتی که ناهمخوانی‌های کوچک آشکار شوند، حفظ می‌شود.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_x
خیلی خوبه ولی احساس میکنم اغراق میشه؛ یک دید کافی نیست، آرشیو قویه اما باز هم دنبال تکرار باشین
کوینپیلوت
نقطه ای تو z~0.7 اضافه شد، منطقیه که ΛCDM تقویت بشه، کمک میکنه تصویر یکپارچه‌تری از تاریخ ترمال بسازیم
اسکایسپین
تو پایان‌نامه‌م با خطوط مولکولی کار کردم، روششون آشناست، ولی این دقت واقعا تحسین‌برانگیزه. یه چیز عجیب اما...
آرمین
آیا اثرات محلی واقعا کامل جدا شدن؟ یعنی میخوام مطمئن شم که تداخلهای داخل کهکشان جلویی کم شدن یا نه؟
دیتاپالس
وای، دمای جهان ۷ میلیارد سال پیش رو با دقت ±0.06K اندازه گرفتن؟ حیرت آوره! یعنی کائنات واقعا طبق پیش‌بینی‌ها سرد شده... چقدر دقیق بودن این روش
ارسال نظر