مطالب علمی

تابش پس زمینه کیهانی

تغییرات حرارتی و قطبش در سراسر طیف میکروویو آسمان شامل نشانه هایی از نوسانات کوانتومی در جهان اولیه می باشد. این شواهد شاید سطوح انرژی بی سابقه ای در فیزیک شود.

پنجاه سال پیش، دانشمندان آزمایشگاه های بل، آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون متوجه نیروی مازادی شدند که از آنتن شیپوری که برای مشاهدات نجومی نصب کرده بودند، نشات می گرفت. پس از بررسی تمام و کمال تمامی توضیحات مربوط به ابزار آنتن، نهایت به این نتیجه رسیدند که شاید این یک سیگنال مایکرویو است که از تمامی جهات آسمان ساطع می شود. با ترجمه سریع این سیگنال به این نتیجه رسیدند که این سیگنال از تابش حرارتی باقی مانده از یک دوره بسیار داغ تر و کهن تر از کیهان سرچشمه می گیرد، و انفجار بزرگ نیز به عنوان پارادایم غالب کیهانی شناخته شد. کیهان با تورم خود سردتر شده و به حرارتی زیر 3 درجه کلوین رسید، بنابراین در میان امواج، در طیف مایکروویو به حداکثر شدت خود می رسد. پرتویی که توسط پنزیاس و ویلسون ثبت شد را امروزه به عنوان تابش پس زمینه کیهانی (CMB) می شناسند. به این دو دانشمند در سال 1978 برای این کشفشان جایزه نوبل فیزیک تعلق گرفت.
شناسایی CMB و توافق سر اینکه کیهان ما دارای یک دوره داغ و چگال در ابتدای حیات خود بوده است منجر به رابطه ای موثر میان کیهان شناسی و فیزیک ذرات شد. کیهان اولیه و داغ یک شتاب دهنده ذرات طبیعی بوده است که می توانسته به سطحی از انرژی دست یابد که تا آینده های دور نیز نمی توان چنین سطحی را در آزمایشگاه های روی زمین تولید کرد. محاسبات دقیق طیف CMB و تغییرات بسیار ناچیز در روشنی آن در نقاط مختلف آسمان حاکی از اثر فرآیندهای پرانرژی در کیهان اولیه است.
برای نمونه، یافته ها نشان می دهد که اثرات گرانشی نوترینو ها بسیار مهم بوده است. چنین محاسباتی نشان می دهند که مجموع جرم نوترینوها بیشتر از چند دهم یک eV نبوده است. داده های CMB، تاثیر هلیوم تولید شده در کیهان اولیه را نیز نشان می دهند و بنابراین، با دقت بیشتری می توان نسبت هلیوم در کیهان اولیه را محاسبه کرد. بعلاوه، تقریباً غیرممکن است که بتوان این داده ها را بدون توجه به انرژی و ماده تاریک در نظر داشت.

قدرت افزایش دقت مشاهدات تابش پس زمینه کیهانی(CMB) تا حدی از سطح بالای ایزوتروپی در CMB نشات می گیرد، که با استفاده از دقت حاصله، نظریه پردازان می توانند پیشگویی هایی ارائه کنند. معادلات مزدوج و غیرخطی توزیع تکامل فوتون را به سختی می توان با دقت بالا حل نمود. ولی از آنجایی که درجه حرارت CMB در همه جهات به اندازه 1 در 100000 بخش یکسان است. معادلات خطی که نسبتاً حل آسانی دارند تخمین های خوبی را فرآهم می آورند. مسلماً سطح پایین ناهمسانگردی دارای یک نکته منفی می باشد که آن افزایش چالش در محاسبات است. حدوداً 30 سال بعد از کشف CMB، مشاهدات منجر به افزایش دقت در محدودیت های این ناهمسانگردی شد. سپس، در سال 1992، یکی از دستگاه های نصب شده در کاوشگر تابش پس زمینه کیهانی (COBE) برای اولین بار این ناهمسانگردی را محاسبه نمود.
مشاهدات CMB با تلسکوپ های مخصوص به این کار با دقت بسیار بالاتری انجام می شود. در دهه 90 میلادی، آزمایشات بسیاری بر روی بازه ای از مقایس های زاویه ای از زمین و از بالن ها انجام گرفت؛ علی الخصوص، محاسبات ناهمسانگردی درجه – مقیاس باعث شد تا تصویر کیهان شناختی امروزی از جهان صاف از نظر هندسی مملو از انرژی و ماده تاریک بدست آید. دهه بعدی شاهد پرتاب دو ماهواره کاوشگر ناهمسانگردی تابش مایکروویو ویلکینسون (WMAP) در 2001 و پلانک در 2009 بعد از COBE بود.
اخیراً، حرارت CMB با دقت بالایی توسط آزمایشات ماهواره ای و تلسکوپ های قطور و نصب شده بر روی زمین مانند تلسکوپ قطب جنوب و تلسکوپ کیهان شناسی آتاکاما مورد اندازه گیری قرار گرفته است. آخرین مشاهدات صورت گرفته در مورد قطبیت CMB است که برای اولین بار در سال 2002 توسط آزمایش DASI (تداخل سنج مقیاس زاویه ای درجه) در قطب جنوب و اندکی بعد توسط WMAP شناسایی شد. از زمان این دو محاسبه مقدماتی، نشانه های قطبیت در نوسانات چگالی در پلاسمای کیهان در اوایل عمر کیهان با استفاده از تبدیل سیگنال به نویز اندازه گیری و اثرات لنزینگ گرانشی بر قطبیت شناسایی شده است.
ناهمسانگردی در CMB از نظر فیزیکی اهمیت والایی دارد، چرا که این نوسانات کوچک در حرارت نشان از عدم هماهنگی هایی کوچک در چگالی است که تحت اثر گرانش به مرور زمان تبدیل به ساختاری شده است که امروزه در کیهان شاهد آن هستیم. بدون یک CMB ناهمسانگرد، ما هیچگاه بوجود نمی آمدیم. لیکن ریشه این نوسانات کوچک چه بوده است؟ پاسخ قانع کننده به این سوال از استفاده هماهنگ از CMB و فیزیک ذرات، یعنی نظریه تورم بدست می آید.
داخل و خارج از تماس سببی
یک وقتی یک فکر کامل ذهنی است اما اکنون تورم یک قسمتی از کیهان شناسی استاندارد است.  با این وجود، سوالاتی عمیق در مورد تورم هنوز باقیست. پیش بینی های مربوط به ساده ترین اشکال نظریه آنقدر موفق بوده است که غالب کیهان شناسان قبول دارند که نوعی  تورم واقعاً در جهان اولیه رخ داده است. جایزه اخترفیزیک کاولی در سال 2014 به آلن گوث، اندری لیند، و الکسی استاروبینسکی برای کمک هایشان در نظریه تورم کیهانی تعلق گرفت. دانشمندان بسیار دیگری نیز کمک های شایانی به این نظریه کرده اند.
طبق تعریف، تورم یک دوران گسترش شتابدار است. یک عالمی که شتاب دارد،  یک ساختار سببی(تاثیرگذار) دارد که کاملاً مختلف از عالمی که بسیار متفاوتی از عالمی که دارای شتاب کند شونده(منفی) است. در عالمی با شتاب منفی یک جفت یا دو نقطه ای که از هم جدا هستند، ظاهر می شوند از حالتی که به طور سببی از هم جدا هستند(در مورد ذراتی که قادر نیستندهمدیگر را تحت نفوذ قرار دهند)از آن حالت تبدیل می شوند که سببی با هم ارتباط دارند. در عالمی که شتابدار است حالت مخالف اتفاق می افتد. در سناریوی تورمی عالم متحمل می شوند یک مرحله شتابداری را که به دنبالش می آید، دوران طولانی شتاب منفی. 

.