پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) تابش باقی‌مانده از انفجار بزرگ یا زمانی است که کیهان شروع شده است. همانطور که این نظریه می گوید، زمانی که جهان متولد شد، تحت تورم، انبساط و سرد شدن سریع قرار گرفت. (کیهان هنوز در حال انبساط است و نرخ انبساط بسته به جایی که شما به آن نگاه می کنید متفاوت به نظر می رسد.) CMB نشان دهنده گرمای باقی مانده از انفجار بزرگ است.
شما نمی توانید CMB را با چشم غیر مسلح ببینید، اما در همه جای جهان هستی وجود دارد. برای انسان نامرئی است زیرا بسیار سرد است، فقط 2725 درجه بالاتر از صفر مطلق (منهای 459.67 درجه فارنهایت یا منفی 273.15 درجه سانتیگراد.) این بدان معنی است که تابش آن در مایکروویو، طیف الکترومغناطیسی، بیشتر قابل مشاهده است.
به گفته ناسا، CMB جهان را پر می کند و در روزهای قبل از تلویزیون کابلی، هر خانواده ای که تلویزیون داشته باشد می تواند آثار انفجار بزرگ را ببیند. با چرخاندن تلویزیون به کانال "واسطه"، می توانید CMB را به عنوان یک سیگنال ثابت بر روی صفحه نمایش ببینید.
متصل: برخی از سیاهچاله های کلان جرم ممکن است دارای اثر انگشت از انفجار بزرگ باشند
پس زمینه مایکروویو کیهانی چگونه شکل گرفت؟
جهان 13.8 میلیارد سال پیش آغاز شد و قدمت CMB حدود 400000 سال پس از انفجار بزرگ است. این به این دلیل است که در مراحل اولیه کیهان، زمانی که اندازه امروز فقط یکصد میلیونیم بود، دمای آن بسیار زیاد بود: 273 میلیون درجه. در بالا به گفته ناسا صفر مطلق
تمام اتم های موجود در آن زمان به سرعت به ذرات کوچک (پروتون و الکترون) تجزیه می شوند. تابش CMB در فوتون ها (ذراتی که نشان دهنده کوانتوم های نور یا تشعشعات دیگر هستند) توسط الکترون ها پراکنده می شوند. ناسا نوشت: "به این ترتیب، فوتون ها در جهان اولیه پرسه می زدند، درست همانطور که نور نوری در مه غلیظ سرگردان است."
حدود 380000 سال پس از انفجار بزرگ، جهان به اندازه کافی خنک بود تا هیدروژن تشکیل شود. از آنجایی که فوتون های CMB تقریبا تحت تاثیر برخورد هیدروژن قرار نمی گیرند، فوتون ها در خطوط مستقیم حرکت می کنند. کیهان شناسان به "سطح آخرین پراکندگی" زمانی که فوتون های CMB آخرین برخورد به ماده را انجام می دهند، اشاره می کنند. سپس جهان بسیار بزرگ بود. بنابراین وقتی CMB را نقشه برداری می کنیم، به 380000 سال پس از بیگ بنگ نگاه می کنیم، درست پس از اینکه جهان در برابر تشعشعات مات بود.
چه کسی پس زمینه مایکروویو کیهانی را کشف می کند؟
به گفته ناسا، رالف آفر کیهان شناس آمریکایی اولین بار در سال 1948، زمانی که با رابرت هرمن و جورج گامو کار می کرد، CMB را پیش بینی کرد. این تیم در حال انجام تحقیقاتی در مورد سنتز هسته ای بیگ بنگ یا تولید عناصری در جهان به غیر از سبک ترین ایزوتوپ (نوع) هیدروژن بود. این نوع هیدروژن خیلی زود در تاریخ کیهان ایجاد شد.
اما CMB ابتدا به طور تصادفی پیدا شد. در سال 1965، دو محقق در آزمایشگاه تلفن بل (آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون) یک رادیو ساختند و از صدایی که دریافت می کرد متحیر شدند. آنها به زودی متوجه شدند که صدا به طور یکنواخت از سراسر آسمان می آید. در همین حال، تیمی در دانشگاه پرینستون (به رهبری رابرت دیک) در تلاش برای یافتن CMB بودند. تیم دیک به آزمایش بل پی بردند و متوجه شدند که CMB پیدا شده است.
هر دو تیم به سرعت در سال 1965 مقالاتی را در مجله Astrophysical منتشر کردند که پنزیاس و ویلسون در مورد آنچه دیدند صحبت کردند و تیم Dicke توضیح دادند که این در زمینه جهان چه معنایی دارد. (پنزیاس و ویلسون بعداً در سال 1978 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند).
پس زمینه مایکروویو کیهانی به ما چه می گوید؟
CMB برای دانشمندان مفید است زیرا به ما کمک می کند تا نحوه شکل گیری جهان اولیه را بیاموزیم. در همان دما است و تنها نوسانات کوچکی با تلسکوپ های دقیق قابل مشاهده است. ناسا نوشت: با مطالعه این نوسانات، کیهان شناسان می توانند درباره منشاء کهکشان ها و ساختارهای مقیاس کهکشان ها بیاموزند و می توانند پارامترهای اساسی نظریه بیگ بنگ را اندازه گیری کنند.
در حالی که بخش‌هایی از CMB در دهه‌های پس از کشف نقشه‌برداری شد، اولین نقشه فضایی از آسمان کامل از مأموریت کاوشگر پس‌زمینه کیهانی ناسا (COBE) تهیه شد که در سال 1989 پرتاب شد و در سال 1993 عملیات علمی را متوقف کرد. عکسی از جهان، همانطور که ناسا آن را می نامد، پیش بینی های نظریه بیگ بنگ را تأیید کرد و همچنین نکاتی از ساختار کیهانی را نشان داد که قبلاً دیده نشده بود. در سال 2006، جایزه نوبل فیزیک به دانشمندان COBE جان ماتر از مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا و جورج اسموت از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی اعطا شد.
نقشه دقیق تری در سال 2003 با کمک کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون (WMAP) ارائه شد که در ژوئن 2001 راه اندازی شد و در سال 2010 جمع آوری داده های علمی متوقف شد. اولین تصویر سن جهان را 13.7 میلیارد سال تعیین می کند (اندازه گیری) سپس به 13.8 میلیارد سال پالایش شد) و همچنین یک شگفتی را نشان داد: قدیمی‌ترین ستاره‌ها حدود 200 میلیون سال پس از انفجار بزرگ شروع به درخشش کردند، بسیار زودتر از آنچه انتظار می‌رفت.
دانشمندان این نتایج را با مطالعه مراحل اولیه تورم در جهان (تریلیونم ثانیه پس از شکل گیری) و با ارائه پارامترهای دقیق تر برای چگالی اتم ها، توده های جهان و سایر ویژگی های جهان در مدت کوتاهی پس از شکل گیری دنبال کردند. آنها همچنین شاهد عدم تقارن عجیبی در دمای متوسط در دو نیمکره آسمان و یک "نقطه سرد" بودند که بزرگتر از حد انتظار بود. تیم WMAP جایزه پیشرفت فیزیک 2018 را برای کار خود دریافت کرد.
در سال 2013، داده های تلسکوپ فضایی پلانک آژانس فضایی اروپا منتشر شد که دقیق ترین تصویر از CMB تا به امروز را نشان می دهد. دانشمندان راز دیگری را با این اطلاعات کشف کرده اند: نوسانات CMB در مقیاس های زاویه ای بزرگ پیش بینی ها را برآورده نمی کند. پلانک همچنین آنچه را که WMAP از نظر عدم تقارن و نقطه سرد مشاهده کرد تأیید کرد. انتشار نهایی داده‌های پلانک در سال 2018 (ماموریت بین سال‌های 2009 و 2013 انجام می‌شود) شواهد بیشتری نشان داد که ماده تاریک و انرژی تاریک - نیروهای مرموز که احتمالاً پشت شتاب جهان هستند - وجود دارند.
سایر تلاش‌های تحقیقاتی سعی کرده‌اند به جنبه‌های مختلف CMB رسیدگی کنند. یکی شناسایی انواع قطبش به نام حالت های E (که توسط تداخل سنج مقیاس زاویه ای مبتنی بر قطب جنوب در سال 2002 کشف شد) و حالت های B است. حالت های B را می توان توسط لنزهای گرانشی حالت های E (این عدسی برای اولین بار توسط تلسکوپ قطب جنوب در سال 2013 مشاهده شد) و امواج گرانشی، که اولین بار در سال 2016 با استفاده از رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری پیشرفته یا LIGO مشاهده شد، تولید کرد. در سال 2014، ابزار مبتنی بر قطب جنوب BICEP2 گفته شد که حالت های B موج گرانشی را شناسایی کرده است، اما مشاهدات بیشتر (از جمله کار پلانک) نشان داد که این نتایج به دلیل غبار فضایی است.
تا اواسط سال 2018، دانشمندان همچنان به دنبال سیگنالی هستند که دوره کوتاهی از انبساط سریع جهان را در مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ نشان دهد. در آن زمان، جهان بزرگتر و سریعتر، سریعتر از سرعت نور بود. اگر این اتفاق بیفتد، محققان گمان می کنند که باید در CMB از طریق نوعی قطبش دیده شود. مطالعه ای در همان سال نشان داد که درخشش نانوالماس ها نور ضعیف اما قابل توجهی را ایجاد می کند که در مشاهدات فضایی تداخل ایجاد می کند. نویسندگان این مطالعه در آن زمان گفتند، اکنون که این درخشندگی گزارش شده است، تحقیقات آینده ممکن است آن را حذف کنند تا قطبش ضعیف در CMB را بهتر جستجو کنند.
خواندن اضافی
اگر می‌خواهید درباره پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و انفجار بزرگ بیشتر بدانید، این دوره رایگان را با دانشگاه آزاد بررسی کنید. می‌توانید با این مقاله دنیای فیزیک «نقطه سرد» عجیب در پس‌زمینه مایکروویو فضا را با جزئیات بیشتری بررسی کنید و وب‌سایت پلانک در بریتانیا به شما امکان می‌دهد نقشه‌های آسمان ایجاد شده توسط تلسکوپ فضایی پلانک را مشاهده کنید.