گامی نزدیک‌تر به درک «نقطه سرد» در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی

مشاهدات برای بررسی انرژی تاریک با استفاده از تلسکوپ بلانکو در کوه‌های آند شیلی انجام شد. دانشمندان از داده‌های آن برای ایجاد نقشه‌ای از ماده تاریک در منطقه‌ای از آسمان استفاده کردند که حاوی ابرحفره اریدانوس و نقطه سرد CMB است. اعتبار: Reidar Hahn، Fermilab

پس از انفجار بزرگ، جهان مات و آنقدر داغ بود که اتمها نمی‌توانستند تشکیل شوند. در نهایت با سرد شدن تا دمای منفی 454 درجه فارنهایت (270- درجه سانتیگراد)، بیشتر انرژی ناشی از انفجار بزرگ به شکل نور درآمد. این درخشش پسین که به عنوان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی شناخته می‌شود، اکنون با تلسکوپ‌ها در فرکانس‌های مایکروویو نامرئی برای چشم انسان قابل مشاهده است. نوسانات کوچکی در دما دارد که اطلاعاتی در مورد جهان اولیه ارائه می‌دهد.

اکنون دانشمندان ممکن است توضیحی برای وجود یک منطقه سرد به خصوص در پس تابش، به نام نقطه سرد تابش پس‌زمینه کیهانی یا CMB Cold Spot داشته باشند. منشا آن تا کنون یک راز بوده است، اما ممکن است به بزرگترین غیبت کهکشانی نسبت داده شود که تا کنون کشف شده است.

دانشمندان از داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط Dark Energy Survey استفاده کردند تا وجود یکی از بزرگترین ابرحفره‌های شناخته شده برای بشر، ابرحفره نهر، استفاده کردند که ممکن است یک دلیل احتمالی برای ناهنجاری در CMB باشد.

ابرحفره نهر

شبکه کیهانی از خوشه‌ها و ابرخوشه‌های کهکشانی ساخته شده است. آنها توسط نیروی جاذبه به سمت هم کشیده می‌شوند و توسط نیروی دافعه پدیده‌ای مرموز و هنوز درک نشده به نام انرژی تاریک از یکدیگر شتاب می‌گیرند.

بین این خوشه‌های کهکشانی حفره‌هایی وجود دارد: مناطق وسیعی از فضا که حاوی کهکشان‌های کمتر و در نتیجه ماده معمولی کمتر و ماده تاریک کمتری نسبت به مواد موجود در خوشه‌های کهکشانی است.

در میان بزرگترین ساختارهای شناخته شده برای بشر، ابرحفره در صورت فلکی نهر یا جوی یک فضای خالی بزرگ، کشیده و سیگاری شکل در شبکه کیهانی است که 1.8 بیلیون سال نوری عرض دارد و مشاهده شده است که حاوی حدود 30 درصد ماده کمتری نسبت به منطقه کهکشانی اطراف آن است. مرکز آن در فاصله 2 بیلیون سال نوری زمین قرار دارد که آن را به کمترین چگالی ماده در همسایگی کهکشانی ما تبدیل می‌کند.

نقطه سرد در صورت فلکی نهر در نیمکره جنوبی کهکشان قرار دارد. این تصویر نقشه دمای مایکروویو این بخش از آسمان را نشان می‌دهد که توسط ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا نقشه‌برداری شده است. شکل اصلی نقشه توزیع ماده تاریک ایجاد شده توسط تیم Dark Energy Survey را نشان می‌دهد. اعتبار: گرگو کرانیچ و آندراس کواچ

نقشه‌برداری ماده تاریک

برای انجام این کشف، دانشمندان از داده‌های بررسی انرژی تاریک برای ایجاد نقشه‌ای از ماده تاریک در همان جهت نقطه سرد CMB، با مشاهده اثر عدسی گرانشی استفاده کردند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که مسیرهای نور توسط تأثیر گرانشی ماده تاریک منحرف می‌شوند.

نیال جفری، دانشمندی که بر روی ساخت نقشه ماده تاریک کار می‌کرد، می‌گوید: «این نقشه از ماده تاریک بزرگترین نقشه‌ای است که تا به حال ساخته شده است. ما توانستیم ماده تاریک را در یک چهارم نیمکره جنوبی ترسیم کنیم.

دانشمندان قبلاً تعداد کهکشان‌های قابل مشاهده در محل نقطه سرد CMB را شمارش کردند و چگالی کمتری از کهکشان‌ها را در آن منطقه یافتند. نقشه جدید نشان می‌دهد که چگالی کمتری از ماده تاریک نامرئی وجود دارد.

استفاده از فضاهای خالی برای درک انرژی تاریک

بررسی انرژی تاریک یک تلاش بین‌المللی برای درک تأثیر انرژی تاریک بر شتاب جهان است. 300 دانشمند از 25 موسسه در هفت کشور در آن شرکت دارند.

بررسی انرژی تاریک، صدها میلیون کهکشان، ابرنواختر و الگوهای درون شبکه کیهانی را با استفاده از یک دوربین دیجیتال 570 مگاپیکسلی به نام DECam، در ارتفاعات آند شیلی، مستند می‌کند. ساخت و ادغام اجزای این دوربین توسط آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده انجام شد.

خوان گارسیا بلیدو، کیهان‌شناس از IFT-Madrid و یکی از نویسندگان مقاله می‌گوید: «ما سال‌ها پیش، حداقل یک دهه و نیم، فکر می‌کردیم که فضاهای خالی چگونه بر شتاب کنونی جهان تأثیر می‌گذارند.

تصویرگر دوربین انرژی تاریک می‌تواند مقادیر بسیار کمی از نور کهکشانها و ابرنواخترهای دوردست را ثبت کند. اعتبار: Reidar Hahn، Fermilab

در بزرگ‌ترین مقیاس کیهان، بین نیروهای گرانشی و انبساط کیهان از انرژی تاریک، کشمکشی وجود دارد که برخی از حفره‌های بین خوشه‌های کهکشانی را عمیق‌تر می‌کند.

گارسیا بلیدو می‌گوید: فوتون‌ها یا ذرات نور در یک زمان قبل از شروع عمیق‌تر شدن فضای خالی وارد فضای خالی می‌شوند و پس از عمیق‌تر شدن فضای خالی از آن خارج می‌شوند. “این فرآیند به این معنی است که در آن سفر یک اتلاف انرژی خالص وجود دارد؛ این اثر یکپارچه ساچز-ولف نامیده می‌شود. وقتی فوتون‌ها در یک چاه پتانسیل سقوط می‌کنند، انرژی می‌گیرند و وقتی از یک چاه بالقوه خارج می‌شوند، انرژی خود را از دست می‌دهند. این اثر انتقال گرانشی به سرخ است.”

اگرچه نتیجه جدید تأیید می‌کند که ابرحفره نهر غول‌پیکر است، اما هنوز برای توضیح اختلاف بین پیش‌بینی‌های مدل استاندارد کیهان‌شناسی فعلی کافی نیست که برای پیش‌بینی رفتار انرژی تاریک (معروف به مدل ماده تاریک سرد لامبدا) استفاده می شود. تغییر دما در نقطه سرد مشاهده شد که می‌تواند به اثر ابرحفره بر روی فوتون‌های CMB نسبت داده شود.

آندراس کواچ، محقق اصلی این پروژه، گفت: «هم‌سویی این دو ساختار نادر در شبکه کیهانی و در CMB اساساً برای اثبات علیت با استانداردهای علمی کافی نیست.»

کواچ گفت: «این یک عنصر جدید در تاریخ طولانی مشکل نقطه سرد CMB کافی است که پس از این، مردم حداقل مطمئن شوند که یک ابرحفره وجود دارد، که چیز خوبی است زیرا برخی افراد در مورد آن بحث کرده‌اند.

به طور خلاصه، دو راه برای فکر کردن در مورد این مشکل وجود دارد: یا مدل Lambda-CDM درست است، و CMB Cold Spot یک ناهنجاری شدید است که تصادفاً یک ابرحفره عظیم در جلوی خود دارد، یا مدل Lambda-CDM نادرست است و اثر ساچز ـ ولف یکپارچه در ابرحفره‌ها قوی‌تر از حد انتظار است.

مورد دوم نشان دهنده تأثیر بیشتر انرژی تاریک بر جهان و احتمالاً گسترش سریعتر کیهانی است. جالب توجه است که این احتمال با شواهدی از دیگر سوپرحفره‌های دورتر پشتیبانی می‌شود. علاوه بر این، تیم بررسی انرژی تاریک مشاهده کرد که سیگنال عدسی از ابرحفره نهر کمی ضعیف‌تر از حد انتظار است.

کواچ می‌گوید: «مشکل این است که مدل‌های جایگزین معمولی نیز نمی‌توانند این اختلاف را توضیح دهند، بنابراین اگر درست باشد، ممکن است به این معنی باشد که ما چیزی خیلی عمیق در مورد انرژی تاریک نمی‌فهمیم».

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

A step closer to understanding the ‘cold spot’ in the cosmic microwave background

by Maxwell Bernstein, Fermi National Accelerator Laboratory JANUARY 12, 2022

https://phys.org/news/2022-01-closer-cold-cosmic-microwave-background.html