همه چیز درباره ی انفجار بزرگ (Big Bang)

کیهان شناسی ، مطالعه جهان:

کیهان شناسی مطالعه علمی جهان به طور وسیع در مقیاس یزرگ است. این علم تلاش می کند که از روش های علمی برای درک مبدا ، سیر تکاملی و سرانجام کل جهان استفاده کند مانند دیگر شاخه های علوم ، کیهان شناسی شامل تئوری ها و فرضیات در مورد جهان است که باعث پیش بینی علمی پدیده هایی قابل مشاهده می شود. بر اساس مشاهدات بدست آمده ، نظریات نیاز به رها شدن ، تجدید نظر یا گسترش دارند تا با اطلاعات تطبیق داده شوند. تئوری غالب در مورد اصل و تکامل جهانمان با نام تئوری انفجار بزرگ شناخته می شود که در آینده به طور کامل توضیح داده می شود.

کیهان شناسی انفجار بزرگ:

مدل انفجار بزرگ نظریه ای است که به طور گسترده برای پیدایش و تکامل جهان مورد قبول است. این نظریه ادعا دارد که 12 تا 14 بیلیون سال پیش تمام جهانی که امروز می بینیم تنها در میان چند میلیمتر بود.بعد ها این منظقه با چگال با دمای بالا در اثر انبساط به کیهان بسیار خنک تر همان طور که ما در آن زندگی می کنیم تبدیل شد.ما اکنون می توانیم بقایای این ماده چگال با دمای بالا را با کیهانی سرد همراه تششعات ریز موجی که هنوز هم در جهان پخش است و برای ردیاب ریزموج ها مانند تابشی یکنواخت در سراسر پهنه آسمان است ، ببنیم.

- چگونگی پیدایش مدل انفجار بزرگ:

مدل انفجار بزرگ بر دو ستون نظریه ای استوار است:

1) نسبیت عام:

اولین ایده ها در سال 1916 آغاز شد ، زمانی که انیشتین نظریه ی نسبیت عام خود را که نظریه ای جدید برای گرانش در نظر گرفته شده بود ، انتشار داد.نظریه ی او نظریه ی اصلی ایزاک نیوتون در سال 1680 در مورد گرانش – که برای اجسام ساکن و در حال حرکت یکسان بود- را تعمیم می داد. جاذبه نیوتونی تنها برای اجسام ساکن یا اجسام با سرعت کم در مقایسه با سرعت نور (نه آن قدرها محدود!) صحیح است.یک ایده بر این تصور است که نسبیت عام نوعی جاذبه است که دیگر به عنوان میدان گرانشی شرح داده نمی شود بلکه انحنایی در خود فضا و زمان شناخته می شود. جان ویلر ، فیزیک دان ، آن را تمام و کمال وصف کرد: " ماده به فضا می گوید چگونه انحنا یابد و قضا به ماده می گوید چگونه حرکت کند ." در واقع ، این نظریه قادر به بیان علت حالت عجیب در مدار عطارد و خم کردن نور توسط خورشید که در تئوری گرانشی آیزاک نیوتون شرح داده نشده بود ، بود. در قرن اخیر این تئوری آزمایش های سختی را پشت سر گذاشت.

2) قانون کیهان شناسی:

بعد از معرفی نسبیت عام چند تن از دانشمندان از جمله انیشتین سعی در اجرای مکانیک گرانشی جدیدی بر تمام جهان کردند. در آن زمان نیاز به فرضی در مورد چگونگی توزیع جهان بود. ساده ترین فرضی که میتوانست داشت این بود که اگر شما با دیدی به قدر کافی ضعیف به دنیا نگاه کنید تمام قسمت های آن و در تمام جهات به طور ناهموار یکسان به نظر می آیند. پس مواد جهان اگر در یک مقیاس بزرگ قرار گیرند ، مشابه و دارای خواص فیزیکی یکسان هستند. به این قانون کیهان شناسی گویند. این فرض به طور مداوم در حال آزمایش است همان طور که ما توزیع جهان را در مقیاس بزرگ مشاهده می کنیم. این عکس نشان می دهد که چگونه توزیع کهکشان های شمرده شده در نوار 30 درجه ی آسمان یکسان است. به علاوه تششعات زمینه ریزموج کیهانی ، بازمانده گرمای انفجار بزرگ ، دمایی یکسان در سراسر آسمان دارند. این واقعیت ، تصور این که گاز خارج شده از تششعات مدتها پیش به طور یکسان توزیع شده را تایید کرد.

این دو ایده تمام پایه های تئوری های کیهان شناسی انفجار بزرگ را شکل داد و به سمت پیش بینی های خیلی علمی برای ویژگی های قابل مشاهده تمام جهان هدایت کرد.

اساس کیهان شناسی انفجار بزرگ:

اساس کیهان شناسی انفجار بزرگ به ده ایده ی کلیدی در اوایل قرن 20 برمی گردد : نسبیت عام و قوانین کیهان شناسی . با فرض این که ماده در جهان در مقیاس بزرگ به طور یکسان توزیع شده است می توان با استفاده از نسبیت عام اثر گرانشی متناظر با ماده را محاسبه کرد. از آنجاکه جاذبه ویژگی فضا-زمان در نسبیت عام است این با محاسبه حرکت شناسی خود فضا-زمان معادل است. داستان به صورت زیر آشکار شد:

با دادن این فرضیه که مواد جهان همگن و دارای خواص فیزیک متشابه است ( قانون کیهان شناسی) می توان نشان داد که انحراف متناسب فضا-زمان ( که به اثر گرانشی ماده بستگی دارد ) می تواند تنها سه شکل– همان طور که به طور قیاسی در شکل آورده شده-. داشته باشد . می تواند مانند سطح یک توپ به طور مثبت خم شود و سطحش محدود باشد ، می تواند مانند یک زین به طور منفی خم شود و سطحش نامحدود باشد یا می تواند صاف باشد و سطح نامحدود داشته باشد – مانند تصور معمولی فضا. یک محدودیت کلیدی در تصاویر نشان داده شده وجود دارد که تنها می توان انحنای 2-بعدی را برای انحنای 3-یعدی حقیقی تصاویر تصور کرد! به یاد داشته باشید که اگر در فضای بسته یک سفر را در یک جهت آغاز کرده و زمان اجازه دهد ، سرانجام به نقطه شروع خود بازمیگردید در حالی که در جهان نامحدود شما هیچ گاه بازنمی گردید.

قبل از این که توضیح دهیم کدام تصویر جهان ما را توصیف می کند ( اگر بکند ) باید مقداری توضیح داده شود:

·به دلیل عمد محدود جهان ( حدود 13.7 بیلیون سال) تنها می توانیم مسافتی محدود را در فضا مشاهده کنیم : حدود 13.7 بیلیون سال نوری. این افق رویداد ماست.مدل انفجار بزرگ تلاشی برای توصیف ناحیه ی خارج از افق رویداد نمیکند. فضا-زمان میتواند در آنجا کاملا متفاوت باشد.

·این امکان دارد که جهان از آن جا که هنوز همان انحنای محلی را دارد، توپولوژی جهانی پیچیده تری در مقایسه با آنچه در اینجاتصور می شود ، داشته باشد. برای مثال میتواند شکل یک ماهیچه (دنات= نان شیرینی گرد و حلقه مانند ) را داشته باشد. میتواند راه حل هایی برای آزمایش این ایده باشد اما اکثر مباحث دنبال شده ساده هستند.

ماده نقش مهمی را در کیهان شناسی بازی می کند . ماده به این نتیجه میرسد که چگالی متوسط ماده به طور یکتا هندسه جهان را ( بر اساس حدود درج شده در بالا ) تعیین می کند. اگر چگالی ماده کمتر از چگالی بحرانی باشد ، جهان نامحدود و باز است. اگر چگالی بیشتر از چگالی بحرانی باشد جهان بسته و محدود است. اگر چگالی برابر چگالی بحرانی باشد ، جهان تخت است اما احتمالا هنوز نامحدود است. مقدار چگالی بحرانی بسیار کوچک است : مقدار آن برابر 6 اتم هیدرژن ناهموار در متر مکعب است ، یک خلاء خوب متحیر کننده در استاندارد های زمینی! یکی از سوالات کلیدی علمی در کیهان شناسی کنونی این است که : چگالی متوسط مواد جهان ما چقدر است؟ هرچند پاسخی تا اکنون برای این سوال داده نشده است اما به نظر می رسد که پاسخ به طور آزار دهنده ای به چگالی بحرانی ارتباط دارد.

با دادن یک قانون در مورد جاذبه و یک فرض در مورد این که ماده چگونه توزیع شده است ، قدم بعدی حل کردن حرکت شناسی جهان است-چگونه فضا و ماده درون آن با زمان نمو دارند؟ جزئیات بستگی به اطلاعات بیشتر در مورد ماده در جهان دارد ، برای مثال چگالی ( جرم واحد حجم) و فشار ( نیروی واحد سطح) آن. ، اما تصاویر کلی پدیدار شده نشان می دهد که جهان از یک حجم کوچک پدید آمده است و حادثه بعدی انفجار بزرگ با سرعت آغازی انبساط بود . برای اکثر قسمت ها این سرعت انبساط به خاطر کشش گرانشی هر ماده بر خودش کاهش یافته است . یک سوال کلیدی برای سرانجام جهان این است که آیا کشش جاذبه به آن اندازه کافی است که سرانجام انبساط را وارون کند و سبب متلاشی شدن جهان به درون خود شود؟ . در واقع مشاهدات اخیر احتمال آن را می دهد که سرعت انبساط جهان در حال افزایش است و باعث افزایش احتمال این می شودکه تکامل جهان اکنون توسط ماده ای خیالی که فشاری منفی دارد کنترل می شود .

تصویر بالا سناریو های قابل قبول برای اندازه های نسبی جهان در برابر زمان را نشان می دهد: انحنای پایینی (سبز) نشان دهنده تخت است ، جهان با چگالی بحرانی که سرعت انبساط در آن در حال کاهش است(انحنا حتی عمودی تر می شود) . انحنای وسط(آبی) نشان دهنده جهان باز با چگالی کمتر از چگالی بحرانی است که در آن نیز انبساط جهان در در حال کاهش است اما نه به اندازه جهان با چگالی بحرانی زیرا کشش جاذبه به آن شدت نیست. بالاترین منحنی ( قرمز) نشان دهنده جهانی است که کسر بزرگی از جرم/انرژی آن احتمالا در خلا زیاد فضا است که با نام ثابت کیهان شناسی شناخته می شود و نمونه برجسته ی آنچه که با نام انرژی تاریک شناخته می شود و باعث انبساط جهان می شود ، است. شواهد بسیاری در حال کشف است که جهانمان از این منحنی پیروی می کند.

لطفا از تصورات غلط عمومی در مورد انفجار بزرگ و انبساط دوری کنید:

·انفجار بزرگ در یک نقطه فضا مانند انفجار رخ نداده است. بهتر است آن را مانند ظاهرهمزمان فضا در کل جهان تصور کنیم. آن قسمت فضا که شامل افق اکنون ما است ، در گذشته به راستی از یک نقطه بزرگتر نبود.در واقع اگر تمام فضای درون و بیرون افق ما اکنون نامحدود بود ریال نامحدود به دنیا آمده بود. اگر محدود و بسته بود ، از حجم صفر متولد شده بود و انبساط یافت. در هر دو مورد مرکز انفجار – جایی که جهان از آن نقطه شروع به انبساط کرد- وجود ندارد. در مقایسه با توپ ، شعاع توپ با انبساط جهان افزایش می یابد اما تمام سطح توپ (جهان) در مدل برابر از یکدیگر فاصله میگیرند . درون توپ نباید به جهان در این مقایسه وابسته باشد.

·بنا بر تعریف ، جهان تمام فضا و زمان را همان طور که می دانیم احاطه کرده است بنابراین فراسوی ناحیه ی مدل انفجار بزرگ است که بتوان تصور کرد جهان در آن در حال انبساط است. در جهان باز یا بسته تنها لبه فضا-زمان در زمان انفجار بزرگ رخ داد ( و شاید نقطه مقابل خرد شدن عظیم) بنابراین به طور منطقی نیازی نیست که در باب این سوال تفکر کرد.

·این فراسوی ناحیه ی مدل انفجار بزرگ است که بتوان گفت چه چیزی باعث پیشرفت انفجار بزرگ شد. چند تئوری متفکرانه در مورد این موضوع وجود دارد ، اما هیچ کدام تا اکنون به طور واقعی قابل آزمایش نبودند.

بر اساس این نکته ، تنها فرضی که میتوان در مورد جهان داشت این است که مواد توزیع شده در مقیاس بزرگ همگن و دارای خواص فیزیکی متشابه هستند. در خانواده مدل های انفجار بزرگ چند پارامتر آزاد وجود دارد که باید توسط مشاهدات جهانمان ثابت شود. مهمترین آن ها این هاست: هندسه جهان ( باز، بسته یا تخت) ، سرعت انبساط کنونی ( ثابت هابل ) ، مسیر سراسری انبساط ، گذشته وآینده ، که با چگالی کسری انواع گوناگون ماده در جهان شناخته می شود . به خاطر داشته باشید که سن کنونی جهان به دنبال تاریخ انبساط و سرعت کنونی انبساط ، استنباط می شود.

همان طور که در بالا آورده شده است ، هندسه و تکامل جهان بر اساس سهم کسری مواد گوناگون شناخته شد. از آن جایی که تراکم انرژی و فشار در استحکام نسبیت عام مشارکت دارند ، کیهان شناسان انواع ماده را بر اساس " معادله حالت" – ارتباط بین فشار و تراکم انرژی آن- طبقه بندی می کنند. طرح طبقه بندی اولیه به شکل زیر است:

·تششعات : از ذرات کم جرم یا حدود کم جرم که با سرعت نور حرکت می کنند تشکیل شده است. مثال آشنا شامل فوتون ها (نور) و نوتریون ها است. این گونه مواد با داشتن فشار مثبت قوی توصیف می شوند.

·مواد باریونی: موادی عادی هستند که به طور عمده از پروتون و نوترون و الکترون تشکیل شده اند. این نوع ماده اساسا از نظر کیهانشناسی اهمیت چندانی ندارد.

·ماده سیاه : این واژه به طور عمده به ماده بیگانه غیر باریونی که با مواد عادی تنها به طور ضعیف فعل و انفعال دارد ، اشاره دارد .از آن جا که این مواد هیچ گاه به طور مستقیم در آزمایشگاه مشاده نشد ، وجود آن مدت ها مورد شک و تردید بود ( دلایل در قسمت بعدی)

·انرژی تاریک : این یک ماده واقعا خیالی یا احتمالا با خاصیت خلا است که توسط فشار بزرگ منفی توصیف می شود. این نوع ماده تنها علتی برای تسریع سرعت انبساط جهان است.

یکی از مشکلات اساسی کیهان شناسی کنونی این است که چگالی کلی و نسبی( جرم واحد حجم ) هر یک از این انواع ماده را تعیین کنند ، از آنجایی که فهمیدن تکامل و سرانجام جهانمان ضروری است.

آزمایش کیهان شناسی انفجار بزرگ:

مدل انفجار بزرگ توسط چندین مشاهدات تائید شده است ( که هر کدام در قسمت های جداگانه بررسی شده است):

انبساط جهان : مشاهدات ادوین هابل در سال 1929 که نشان داد کهکشان ها در حال دور شدن از ما هستند نشان داد که تئوری انفجار بزرگ ممکن است درست باشد.

فراوانی ذرات سبک هیدرژن ، هلیم و لیتیم : تئوری انفجار بزرگ پیش بینی می کند که این ذرات سبک احتمالا چند دقیقه بعد از انفجار بزرگ از پروتون ها و نوترون های با هم ترکیب شده بوجود آمدند.

تششعات زمینه ریزموج کیهانی (CMB) : جهان اولیه بایستی بسیار گرم می بود. تششعات زمینه ریزموج کیهانی بازمانده گرمای انفجار بزرگ است.

این سه اثر قابل محاسبه به طور قوی تصور این که جهانمان از یک ماده چگال با ماده گازی گرم بخصوص بعد از پیش بینی مدل انفجار بزرگ بیرون آمده است

آزمایش انفجار بزرگ : انبساط

- ادوین هابل:

مدل انفجار بزرگ همانطور که برای جهان همگن اجرا شد یک نتیجه طبیعی از نسبیت عام انیشتین بود.هر چند در سال 1917 این نظریه که جهان در حال انبساط است بی معنا شناخته شد.بنابراین انیشتین ثابت کیهان شناسی را به عنوان اصطلاحی در تئوری نسبیت عام خود برای جهان ایستا اختراع کرد. در سال 1929 ادوین هابل اعلام کرد که مشاهداتش در موردکهکشان های خارج کهکشان راه شیری نشان داد که آنها با سرعت متناسب با فاصله شان از ما دور می شوند. هر چه کهکشان دورتر باشد با سرعت بیشتری از ما دور می شود. سر انجام ، جهان در حال انبساط است ، همان گونه که نسبیت عام به طور اصلی پیش بینی کرد! هابل مشاهده کرد که نور یک کهکشان معلوم هر چه کهکشان دورتر از کهکشان ما باشد در طیف رنگ به سمت قرمز میل می کند .

- ثابت هابل:

شکل علمی قانون انبساط هابل مهم است: سرعت پس رفت متناسب با فاصله است. مدل کیک کشمشی انبساط شونده در سمت چپ توضیح می دهد که چرا مهم است. اگر تمام جهات کیکی در مدتی معین از زمان انبساط یابد ، کشکش ها دقیقا مانند قانون انبساط هابل از یکدیگر فاصله می گیرند.

در مدتی معین از زمان ، یک کشکش نزدیک تر به طور نسبی کمتر از یک کشمش دورتر جا به جا می شود – و این رفتار توسط تمام تمام کشمش های کیک دیده می شود. به بیان دیگر، قانون هابل همان چیزی است که هر کس از جهان همگن انتظار دارد ، همان طوری که تئوری انفجار بزرگ پیش بینی کرد. از این گذشته هیچ کشمشی ، یا کهکشانی نمی تواند جای خاصی را در جهان اشغال کند –مگر این که به لبه کیک بسیار نزدیک شود که در آنجا توافق می شکند.

نتیجه WMAP اخیر نشان می دهد که ثابت هابل 73.5 +/-3.2 (km/sec)/Mpc است. اگر اطلاعات WMAP با سایر اطلاعات کیهان شناسی مخلوط شود ، مناسبترین تقریب 70.8 +/- 1.6 (km/sec)/Mpc است.

آزمایش های انفجار بزرگ: ذرات ماده

- تبدیلات هسته ای در جهان ابتدائی:

واژه Nucleosynthesis به تبدیلات ذرات سنگین تر اختصاص دارد ، هسته های اتم که دارای نوترون و پروتون هستند باعث ترکیب ذرات سبک تر می شوند. تئوری انفجار بزرگ پیش بینی می کند که جهان ابتدائی مکانی گرم بود. یک ثانیه بعد از انفجار بزرگ ، دمای جهان به طور ناهنجار 10 بیلیون درجه و پراز نوترون ، پروتون ، الکترون ، آنتی-الکترون (پوزیترون) ، فوتون و نوتریون بود. زمانی که جهان سرد شد ، نوترون در پی شکل دادن پروتون و الکترون محو شد یا با پروتون ترکیب شد تا دوتریم ( یکی از ایزوتوپ های هیدرژن) را بسازد. در مدت سه دقیقه اول جهان ، اکثر دوتریوم ها با هم ترکیب شدند تا هلیم را شکل دهند. مقدار کمی لیتیم نیز در این زمان تولید شد. این فرآیند یعنی تشکیل مواد سبک در جهان ابتدائی ، تبدیلات هسته ای انفجار بزرگ(BBN) نامیده شد.

فراوانی دوتریم ، هلیم و لیتیم پیش بینی شده در جهان ابتدائی طبق شکل سمت چپ ، به تراکم مواد معمولی بستگی داشت. این نتایج نشان میدهد که محصول هیلوم به طور نسبی به فراوانی مواد معمولی غیر حساس است ، بالای حد معین. ما به طور کلی معتقدیم که 24% مواد معمولی در جهان ، هلیم تولید شده در انفجار بزرگ است. این توافق بسیار خوبی با مشاهدات و پیروزی بزرگ دیگری برای تئوری انفجار بزرگ است.

هر چند مدل انفجار بزرگ می تواند بیشتر آزمایش شود . برای مواد سبک دیگر که با مشاهدات توافق داشته باشد ، چگالی سراسر مواد معمولی باید به طور ناهمواری 4% چگالی بحرانی باشد. ماهواره WMAP باید قادر باشد چگالی مواد معمولی را محاسبه کند و مقادیر محاسبه شده را با تبدیلات هسته ای پیش بینی شده انفجار بزرگ مقایسه کند. این یکی از راه های دقیق و مهم برای آزمایش این مدل است. اگر نتایج با هم همخوانی داشتند ، این شاهد دیگری برای اثبات تئوری انفجار بزرگ بود. اگر نتایج با یکدیگر ناسازگار بودند ، به این موارد اشاره دارد : 1- اشتباه در داده ها 2- درک ناکامل فرآیند تبدیلات هسته ای 3- درک نادرست مکانیزمی که نوسانات را در تششعات ریزموج تولید میکند یا 4- مشکل بنیادی با تئوری انفجار بزرگ.

- تبدیلات هسته ای در ستارگان :

ذرات سنگین تر از لیتیم در ستارگان تبدیل می شوند. در اواخر مراحل تکامل ستاره ای ، ستارگان پر جرم هلیم را می سوزاندند تا به کربن ، اکسیژن ، سیلیکون ، گوگرد و آهن تبدیل می کردند. ذرات سنگین تر از آهن به دو شیوه تولید می شدند: در پوشش بیرونی ستارگان فوق سنگین و در انفجار ابر نواخترها . تمام زندگی کربنی بر روی زمین به طور دقیق از غبارهای ستارگان تشکیل شده است.

آزمایش انفجار بزرگ: CMB

تئوری انفجار بزرگ پیش بینی میکند که جهان ابتدائی مکانی گرم بود و همان طور که انبساط می یافت گاز درون آن سرد می شد. به این ترتیب جهان باید با تششعاتی پر شود که به طور دقیق بازمانده گرمای انفجار بزرگ است و تششع زمینه ریزموج کیهان یا CMB نامیده می شود.

- اکتشاف تششع زمینه ریزموج کیهانی:

وجود تششع CMB اولین بار توسط جرج گامو در سال 1948 و رلف آلفر و رابرت هرمن در سال 1950پیش بینی شد . و اولین بار به طور اتفاقی در سال 1965 توسط آرنو پنیز و رابرت ویلسون در آزمایشگاه تلفن بل در ماری هیل نیوجرسی مشاهده شد.تششعات به عنوان یک منبع اضافی اختلال در دریافت کننده رادیوئی که ساخته بودند عمل می کرد. به طور همزمان ، تحقیقات انجام شده در دانشگاه پرینستون توسط رابرت دیک و دیو ویلکینسون از اعضای تیم علمی WMAP را به سمت اختراع CMB سوق داد. هنگامی که نتیجه ی آزمایش انجام شده در آزمایشگاه بل را شنیدند ، به سرعت متوجه شدند که CMB کشف شد. نتیجه در نشیه های فیزیک در دو برگه بود: اول توسط ویلسون و پنزیاس شامل جزئیات مشاهدات و دیگری توسط دیک، پیبلس ، رول و ویکینسون شامل تفسیر کیهان شناسی. پنزیاس و ویلسون مشترکا جایزه نوبل سال 1978 فیزیک را برای این اکتشافشان برنده شدند.

امروزه ، تششعات CMB سرد شدند، تنها 2.725 درجه بالاتر از صفر مطلق . این تششعات به طور عمده در قسمت طیف الکترومغناطیس می درخشد و با چشم غیر مسلح رویت نمی شود. هر چند ، جهان را پر می کند و می توان آن را در هر جایی تشخیص داد. در واقع اگر ما می توانستیم ریزموج ها را ببنیم ، سراسر آسمان با درخشندگی یکسان گیج کننده ای در تمام جهات تابش می کرد. تصویر سمت چپ ، یک نمایش رنگ اشتباه از دما(روشنایی) CMB در آسمان را نشان می دهد( اجرا شده روی بیضی ، متشابه نقشه زمین ). دما یکنواخت است به جای اینکه یک در هزار باشد! این یکنواختی تنها دلیل اجباری تصور این که گرما بازمانده انفجار بزرگ است ، هست. تصور یک منبع تششع که اینچنین یکنواخت باشد بسیار دشوار است. در واقع ، دانشمندان سعی کردند تفاسیر دیگری برای منبع این تششعات به کار گیرند اما هیچ یک موفق نشدند.

- چرا مطالعه تششعات زیر موج زمینه ی کیهانی؟ :

به دلیل این که نور با سرعتی محدود حرکت می کند ، منجمانی که اشیای دور را رصد می کنند به گذشته نگاه می کنند. اکثر ستارگان قابل رؤیت در شب با چشم غیر مسلح 10 تا 100 سال نوری از ما فاصله دارند. بنابراین ما آن ها را آن گونه که 10 تا 100 سال پیش بودند می بینیم. ما آندرومدا ، نزدیک ترین کهکشان به ما ، را آنگونه که 2.5 میلیون سال پیش بود ، میبینیم. منجمانی که کهکشان های دور را توسط تلسکوپ فضایی هابل مشاهده می کنند ، می توانند آنها را همان گونه که مانند تنها چند بیلیون سال بعد از انفجار بزرگ مشاهده کنند. ( اکثر کیهان شناسان تصور می کنند جهان 12 تا 14 بیلیون سال عمر دارد.)

تششعات CMB تنها چند هزار سال بعد از انفجار بزرگ ، خیلی قبل از این که ستارگان و کهکشان ها وجود داشته باشند ، منتشر شدند. بنابراین با مطالعه جزئیات ویژگی های فیزیک تششعات میتوانیم از وضعیت جهان در مقیاسی بزرگ آگاهی یابیم ، از آن جا که این تششعات قابل رؤیت کنونی از مکانی دور و زمان های اولیه آمده اند .

- مبدا تششعات زمینه ی ریزموج کیهان:

یکی از مشاهدات ژرف قرن 20 این بود که جهان در حال انبساط است. این انبساط بیان می کند که جهان در گذشته های دور کوچکتر ، چگال تر و گرم تر بود. هنگامی که اندازه جهان مرئی نصف مقدار کنونی اش بود ، چگالی آن 8 برابر و دمای تششعات زمینه ی ریزموج کیهان 2 برابر مقدار کنونی بود. هنگامی که اندازه جهان مرئی یک صدم اندازه ی کنونی اش بود ، دمای تششعات زمینه ی ریزموج کیهانی 100 برابر دمای کنونی اش (273 درجه بالای صفر مطلق یا 32 درجه فارنهایت یعنی دمایی که آب در پوسته ی زمین به یخ تبدیل می شود) بود.علاوه بر تششعات زمینه ی ریزموج کیهان ، جهان مرئی ابتدائی از هیدرژن داغ با چگالی 1000 اتم در هر سانتی متر مربع پر شده بود. هنگامی که جهان مرئی یک هزار میلیونیم اندازه کنونی اش را داشت ، دمایش 273 میلیون درجه بالای دمای مطلق و چگالی موادش تقریبا با چگالی هوای پوسته ی زمین برابر بود. در این دماهای بالا هیدرژن بونیده شده و به پروتون و الکترون آزاد تبدیل می شود.

از آن جا که جهان در ابتدای خلقتش بسیار گرم بود ، در آن زمان هیچ اتمی نبود و تنها الکترون و نوکلئون های ( شامل نوترون و پروتون ) آزاد وجود داشت. زمینه تششعات ریزموج پروتون کیهان ، به آسانی از الکترون ها جدا می شوند. بنابراین ، فوتون ها همانند نور مرئی میان مه پر چگال از زمان جهان ابتدائی سرگردانند . این فرآیند پراکندگی چندگانه آنچه که " حرارتی" یا طیف فوتون های " جسم سیاه" نامیده می شود را تولید می کند. بر اساس تئوری انفجار بزرگ ، فرکانس طیف CMB باید فرم جسم سیاه را داشته باشد. این مورد با صحت بزرگی توسط تجربه FIRAS در ماهواره NASA's COBE اندازه گیری شد.

این شکل پیش بینی تئوری انفجار بزرگ را برای طیف انرژی تششعات زمینه ی ریزموج کیهان در مقایسه با طیف انرژی رصد شده نشان می دهد. تجربه ی FIRAS 34 نقطه برابر فضایی را در امتداد منحنی جسم سیاه اندازه گیری می کند. می له های خطا در نقاط داده ها به اندازه ای کوچک هستند که در زیر منجنی پیش بینی شده شکل دیده نمی شوند! تا کنون هیچ تئوری متناوبی که طیف انرژی را پیش بینی کند ، وجود ندارد. اندازه گیری دقیق شکل آن یک آزمایش مهم دیگری در تئوری انفجار بزرگ است.

- سطح پراکندگی آخر:

سرانجام جهان به اندازه ای سرد شد که پروتون ها و الکترون ها ترکیب شده تا هیدرژن خنثی را شکل دهند. این گمان وجود دارد که این اتفاق 400000 سال پس از انفجار بزرگ – زمانی که جهان یک یازده هزارم اندازه کنونی اش را داشت- رخ داد. فوتون های زمینه ریزموج کیهان به طور بسیار ضعیف با هیدرژن های خنثی فعل و انفعال داشتند.

- رفتار فوتون های CMB

که در جهان ابتدائی حرکت میکردند ، متشابه نور های مرئی است که در اتمسفر زمین وجود دارند. قطره کوچک آب در ابر ها بر نور های پراکنده بسیار موثر است در حالی که نور های مرئی به سادگی از میان هوای صاف عبور می کنند. بنابراین ، در یک روز ابری ، می توانیم در میان هوا روی ابر ها را ببینیم اما نمی توانیم از میان ابر های کدر ببنیم. کیهان شناسانی که در مورد تتشعات زمینه ریزموج کیهان مطالعه می کنند می توانند گذشته ی جهان را زمانی که کدر بود ، ببینند : دیداری از 400000 سال پیش از انفجار بزرگ. این " دیوار نور" از آن جایی که این آخرین باری است که اکثر فوتون های CMB از ماده پراکنده می شوند ، به نام رویه ی پراکندگی آخر شناخته می شود.هنگامی که نقشه ای از دمای CMB تهیه می کنیم ، در حال نقشه برداری از رویه ی پراکندگی آخر هستیم.

همان گونه که در بالا نشان داده شده ، یکی از ویژگی های بسیار برجسته ریزموج های زمینه کیهان متحد الشکل بودن آن هاست. تنها با دستگاه های بسیار حساس ، مانند COBE و WMAP کیهان شناسان می توانند بی ثباتی دمای ریزموج های زمینه کیهان را درک کنند. با مطالعه این بی ثباتی ها ، کیهان شناسان می توانند در مورد مبداء کهکشان ها و ساختار بزرگ مقیاس کهکشان ها بیاموزند و می توانند پارامتر های اساسی انفجار بزرگ را محاسبه کنند.

فراسوی کیهان شناسی انفجار بزرگ:

مدل انفجار بزرگ تکمیل نشده است. برای مثال ، توضیح نداده است که چرا جهان در مقیاس بسیار بزرگ این چنین متحدالشکل است ، یا در واقع چرا در مقیاس کوچکتر چرا متحد الشکل نیست. بنابراین چگونه کهکشان ها و ستارگان شکل گرفتند.

مدل انفجار بزرگ بر اساس قوانین کیهان شناسی است که فرض میکند ماده در جهان به طور متحدالشکل در تمام مقیاس ها- چه بزرگ و چه کوچک- پخش شده است.این تقریب بسیار کارآمدی است که اجازه ایجاد سناریوی انفجار بزرگ را می دهد ، اما درک کامل تری از جهانمان نیاز به فراتر رفتن از قوانین کیهان شناسی دارد. بسیاری از کیهان شناسان گمان می کنند تئوری تورم ، انبساط تئوری انفجار بزرگ، امکان دارد چهارچوبی برای توضیح متحدالشکل بودن جهانمان در مقیاس بزرگ و اصل ساخت درون آن فراهم کند.

- ساختار درون جهان:

تئوری انفجار بزرگ کوششی برای توضیح چگونگی شکل گیری ستارگان و کهکشان های جهان نمی کند

- نوسانات تششعات زمینه ریزموج کیهان:

دمای CMB در سراسر آسمان تغییر اندکی دارد. چه چیزی موجب این نوسانات می شود و چگونه به ستارگان و کهکشان ها ارتباط دارد؟

- تورم جهان:

یک رشد متوالی کوتاه و به خصوص سریع در جهان بسیار ابتدائی ( تورم) ، انبساط زیبای و آزمایش شده پازل های بالا را فراهم می کند.

چگونه ساختار در این جهان شکل گرفت؟

منجمان ساختار های مهمی از ستارگان تا کهکشان ها تا خوشه ها و ابر خوشه های کهکشان ها را در جهان مشاهده کردند . " تصویر پرعمق " مشهور که توسط تلسکوپ فضایی هابل گرفته شده است و در زیر آمده است یک دید حیرت انگیر از چنین ساختاری را نمایش می دهد. چگونه این ساختار شکل گرفت؟این گمان می رفت که تئوری انفجار بزرگ یکی از تئوری های موفق کیهان شناسی باشد اما این تئوری ناکامل است. این نظریه نمی تواند نوسانات مورد نیاز را برای تهیه ساختاری که میبینیم را شرح دهد. اکثر کیهان شناسان بر این باورند که کهکشان هایی که امروزه رصد میکنیم از کشش گرانشی نوسانات تقریبا هم چگالی کوچک جهان ابتدائی شکل گرفت. این نوسانات یک نشانه ای در تششعات زمینه ریزموج کیهان به عنوان نوسانات دمائی در جای جای پهنه آسمان به جای می گذارد. ماهواره WMAP این نوسانات کوچک دمائی تششعات زمینه ریزموج کیهان را اندازه گرفت و در واقع مراحل ابتدائی شکل گیری ساختار را کاوش کرد.

در ساده ترین شکل ، تئوری انفجار بزرگ فرض را بر این دارد که ماده و تششعات در جهان به طور یکسان پخش شده اند و نسبیت عام به طور جهانی معتبر است. همان گونه که این می تواند وجود تششعات زمینه ریزموج کیهان را نقل کند و سرچشمه ذرات سبک را توضیح دهد ، نمی تواند وجود کهکشان ها و ساختار های بزرگ مقیاس را توضیح دهد. راه حل این مشکل ساختاری باید بر پایه ی نظریه ی انفجار بزرگ بنا شود.

- شکل گیری جاذبه ای ساختار:

اغلب کیهان شناسان بر این باورند که کهکشان هایی که امروزه مشاهده می کنیم با تاثیرات گرانشی که از نوسانات کوچک در چگالی جهان ناشی شده است و به واسطه ی رشته حوادث زیر ، به وجود آمده اند :

·هنگامی که جهان یک هزارم اندازه کنونی اش بود ( تقریبا 500000 سال بعد از انفجار بزرگ) مگالی ماده ای که اکنون راه شیری ، کهکشان خانه ی ما ، را شکل داده احتمالا 0.5 % بیشتر از مکان های مجاور بود. به خاطر این که چگالی بالاتر بود ، مکان فضا خیلی کمتر از مکان های احاطه کننده منبسط می شد.

·به دلیل این انبساط کوچک ، چگالی بالائی نسبی آن رشد میکند. هنگامی که اندازه جهان یک صدم اندازه کنونی اش ( تقریبا 15 میلیون سال بعد از انفجار بزرگ ) مکان فضای ما احتمالا 5% چگال تر از مکان های احاطه کننده بود.

·همان گونه که جهان انبساط می یافت یک رشد آهسته ادامه داشت. هنگامی که جهان یک پنجم اندازه کنونی اش (1.2 بیلیون سال پس از انفجار بزرگ) بود ، مکان فضای ما 2 برابر چگال تر از مکان های احاطه کننده آن بود. کیهان شناسان به این نتیجه فکر کردند که بخش داخلی کهکشان ما( یا کهکشان های مشابه) در این زمان گرد آمدند. ستارگان اطراف فضای کهکشان ما احتمالا در زمان های جدید تر گرد آمدند. برخی از کیهان شناسان بر این گمانند که برخی از اشیایی که به تازگی توسط تلسکوپ فضایی هابل کشف شده است احتمالا کهکشان های در حال شکل گیری هستند.

- مشاهده نوسانات کوچک:

تغییرات ریز چگالی مواد در جهان ابتدائی یک نشانه در تششعات زمینه ریزموج کیهان به شکل نوسانات دمایی در جای جای آسمان به جای می گذارد. این نوسانات دمایی جزئی است: یک نقطه آسمان ممکن است دمای 2.7251 کلوین( دمای بالاتر از صفر مطلق) داشته باشد و گوشه ی دیگر آن دمای 2.7249 . ماهواره کاوش گر زمینه کیهان ناسا (COBE) این نوسانات کوچک را در مقیاس های زاویه ای بزرگتر کشف کرد.WMAP بار دیگر این نوسانات را با وضوح زاوبه ای و حساسیت بالاتر اندازه گرفت .

چه چیزی باعث این نوسانات کوچک شد؟

در حالی که جاذبه میتواند نوسانات ریزی که در جهان ابتدائی مشاهده می شود را بهتر کند ، نمی تواند این نوسانات را تولید کند. کیهان شناسان در مورد فیزیک جدید که کمکی برای تولید نوسانات اصلی بودکه کهکشان ها را تولید می کنند ، می اندیشند.دو اندیشه عمومی این است:

·تورم

·کاستی مکان شناسی

این تئوری های مختلف حدسیات بسیار متفاوتی را در مورد ویژگی های تششعات زمینه ریزموج کیهان بدست می دهد. برای مثال ، تئوری تورم پیش بینی می کند که بیشترین نوسان دمایی باید مقیاس زاویه ای یک درجه داشته باشد ، در حالی که مدل کاستی یک مقیاس ویژه کوچکتری را پیش بینی می کند. WMAP با حساسیت عالی اش نشان میدهد که مدل تورم بیشتر محتمل است.

نوسانات در زمینه ریزموج کیهان شناسی:

زمینه ریزموج کیهان شناسی یک پس تاب بازمانده از انفجار بزرگ گرم است. دمای آن در سراسر آسمان یکسان است. هر چند ، تغییر دمای کوچک یا نوسان ( یک در میلیون قسمت) می تواند بینش بزرگی را برای سرچشمه ، تکامل و حجم جهان عرضه دارد.

اگر شما در یک سفینه فضایی در حال نزدیک شدن به زمین باشید ، اولین چیزی که درک می کنید این است که سیاره کروی شکل است. در حالی که به زمین نزدیک تر می شوید ، می توانید ببینید که پوسته به دو بخش قاره ها و اقیانوس ها تقسیم شده است. باید با دقت بسیار به زمین نگاه کنید تا کوه ها ، شهر ها ، جنگل ها و کویر ها یی که قاره ها را پوشانده است ،مشاهده کنید .

به طور مشابه ، هنگامی که برای اولین بار 30 سال پیش کیهان شناسان به آسمان ریزموج ها نگاه کردند ، به این نتیجه رسیدند که آن ها متحدالشکل هستند. در حالی که مشاهدات پیشرفت می کرد ، دوقطبی های بدون خواص فیزیکی مشابه را کشف کردند. سرانجام در سال 1992 ماهواره کاوش گر زمینه کیهان (COBE) اولین شبه کشف خود را برای دیدین " کوه های پوسته زمین" انجام داد : او نوسانات کیهان شناسی را در دمای ریزموج های زمینه تشخیص داد. بسیاری از اعضای تیم علمی WMAP برای هدایت برنامه COBE و ساخت فضاپیما کمک کردند. اکتشاف COBE توسط آزمایش نقشه برداری مادون قرمز از راه دور (FIRS) حمل شده در بالن تائید شد.

به خاطر داشته باشید که WMAP ویژگی های بهتری را نسبت بهآنچه در نقشه های آسمان COBE قابل روئیت است ، نمایان می کند. این وضوح زاویه ای اضافه به دانشمندان اجازه میدهد فراسوی آنچه COBE تهیه میکند مقدار خوبی از اطلاعات اضافه را در مورد وضعیت جهان در زمان ابتدائی حدس بزنند.

این جهت یابی به گونه ای است که سطح راه شیری در مرکز هر تصویر قرار دارد. جفت اعداد بالایی دمای آسمان ریزموج را در مقیاسی نشان می دهد که آبی به معنای صفر کلوین ( صفر مطلق ) و قرمز به معنای 4 کلوین است. به خاطر داشته باشید که دما در این مقیاس یکسان ظاهر می گردد. دمای واقعی زمینه ریزموج کیهان 2.725 کلوین است. جفت عکس وسط نقشه یکسانی را در مقیاسی نشان می دهد که آبی به معنای 2.721کلوین و قرمز به معنای 2.729 کلوین است.الگوی " یینگ یانگ " دوقطبی های بدون خواص فیزیکی مشابه اند که از حرکت خورشید نسبت به چهارچوب های دیگر زمینه ریزموج کیهان نتیجه می شود. جفت عدد پایینی آسمان ریزموج را بعد از برداشتن دوقطبی های بدون خواص فیزیکی مشابه نشان می دهد. این کاهش بسیاری از نوسانات را کاهش می دهد.: آنچه باقی میماند سی مرتبه کوچکتر است. در این نقشه ، مکان های گرم که با قرمز نشان داده شده اند 0.0002 کلوین گرم تر از مکان های سردی هستند که با رنگ آبی مشخص شده اند.

دو منبع اصلی برای نوسانات مشاهده شده در اعداد قبلی وجود دارد:

·انتشارات راه شیری در استوای نقشه شدید است اما مقدار کوچکی از استوا دور است.

·انتشار نوسانات از لبه های قابل رؤیت جهان در مناطق خارج از استوا شدید است.

·در این نقشه اختلال بازمانده از خود ابزار ها نیز وجود دارد اما این اختلالات در مقایسه با سیگنال های این نقشه ها بسیار کوچک اند.

این باور وجود دارد که این نوسانات دمایی ریزموج کیهانی همان گونه که مدت کوتاهی بعد از انفجار بزرگ تولید شدند ، یک رد پای نوسانی در چگالی ماده در جهان ابتدایی بر جای گذاشتند. همان گونه که گذشت ، آن ها مقداری از جهان ابتدائی و سرچشمه کهکشان ها و ساختار های بزرگ مقیاس جهان را آشکار کردند .

تئوری تورم چیست؟

تئوری تورم بر دوره های بسیار سریع ( تشریحی ) انبساط جهان در لحظات ابتدایی اش پایه ریزی شد. این تئوری در سال 1980 برای توضیح معماهای تئوری استاندارد انفجار بزرگ – که جهان به طور نسبتا آهسته ای در طول تاریخش منبسط می شود - مطرح شد .

- محدودیت های تئوری انفجار بزرگ:

در حالی که تئوری انفجار بزرگ به طور موفق طیف جسم سیاه تششعات زمینه ریزموج کیهان و سرچشمه اجسام سبک را توضیح می دهد ، سه ایراد مهم دارد:

·مشکل تخت: WMAP تعیین کرد که جهان تقریبا تخت است. هرچنر ، کیهان شناسی انفجار بزرگ به طور خمیده با زمان رشد کرد. جهانی با این مسطحی که ما امروزه مشاهده می کنیم به یک وضعیت بسیار خوب موافق در گذشته نیاز دارد که می تواند یک انطباق باورنکردنی باشد.

·مشکل افق: نقاط دور فضا در جهات مخالف آسمان آن چنان دور از هم هستند که با در نظر گرفتن انبساط انفجار بزرگ استاندارد ، نمی توانند هیچ گاه در تماس سببی با یکدیگر باشند. این به این دلیل است که زمان حرکت نور بین آنها به اندازه عمر جهان خواهد بود. در عین حال یکسان بودن دمای زمینه ریزموج های کیهان به ما می گوید که این مکان ها در گذشته با یکدیگر در تماس بودند.

·مشکل تک قطبی: کیهان شناسی انفجار بزرگ می گوید که در جهان ابتدائی مقدار بسیار زیادی تک قطبی های مغناطیسی پابدار و سنگین بوجود آمدند. هر چنر تک قطبی های مغناطیسی هیچ گاه مشاهده نشدند بنابراین اگر هرگاه آن ها وجود می داشتند ، بسیار کمتر از آن چه تئوری انفجار بزرگ پیش بینی کرده بود ، می بودند.

- تئوری تورم:

تئوری تورم که توسط آلن گوس ، آندره لیند ، پول ستینهارت و اندی آلبرتچ ارائه شد ، راه حل هایی به این سوالات و پرسش های بازی در کیهان شناسی مطرح می کند. این تئوری دوره ی زمانی از تورم بسیار سریع جهان را در نظر میگیرد که نشان دهنده ی تقدم آن نسبت به تورم خیلی معمولتر انفجار بزرگ همزمان با وقتی که چگالی انرژی جهان – مدلی از انرژی خلاء که بعد ها برای تولید ماده و تششعاتی که جهان کنونی را پرکند ، نابود شد- برابر ثابت کیهان شناسی باشد ، هست.

تورم هم سریع و هم قوی بود. تورم اندازه طولی جهان را تا بیش 60 e-foldings (مقدار انبساط جهان به وسیله عددی تعریف میشه که خود اون عدد نیز به صورت تابعی در حال تغییراست. این عدد معمولا بین 50 تا 70 تغییر می کند و تغییر آن به متوسط سازی COBE بستگی دارد.

به این عدد عدد e-foldings گویند.) یا ضریبی از 10 به توان 26 (10^26 ) در کسری از ثانیه توسعه داد ! از آن جایی که تئوری تورم اشکالات بالا را به خوبی برطرف کرد امروزه به عنوان گسترش دهنده تئوری انفجار بزرگ در نظر گرفته می شود در حالی که نمونه اصلی مشابه جهان منبسط شونده حفظ می شود. به علاوه تئوری تورم به ایده های مهمی مانند شکاف تقارن و فاز گذار در فیزیک مدرن را به کیهان شناسی ارتباط می دهد.

- تورم چگونه این مشکلات را رفع می کند؟

·مشکل تخت : تصور کنید روی سطح یک توپ فوتبال زندگی می کنید ( جهان 2 بعدی ) . باید برای شما واضح باشد که سطحی که روی آن زندگی می کنید منحنی و جهانی بسته است. هرچند ، اگر آن توپ در حد کره زمین توسعه یابد ، می تواند برای شما تخت به نظر آید با این وجود در مقیاس بزرگ تر یک کره است. اکنون تصور کنید که اندازه آن توپ تا مقیاس های نجومی رشد کند . برای شما تا آن جا که میبینید این سطح تخت به نظر می آید هر چند که در آغاز این سطح یک منحنی بود. تورم هر انحنای آغازین جهان 3 بعدی را نزدیک به تخت در نظر می گیرد.

·مشکل افق : از آن جا که تئوری تورم یک انبساط تشریحی متوالی را در جهان ابتدائی در نظر گرفت ، به این استنباط رسید که نواحی دور در واقع قبل از تورم به یکدیگر نزدیک تر از آنچه قرار بود با انبساط انفجار بزرگ استاندارد باشند ، بودند . بنابراین ، این نواحی قیل از تورم در تماس سببی بودند و می توانستند دمای یکسانی داشته باشند.

·مشکل تک قطبی: تورم به تک قطبی های مغناطیسی که تا قبل از دوره تورم بوجود آمدند ، امکان حضور می دهد. در طی تورم ، چگالی تک قطبی ها به طور تشریحی افت کرد بنابراین فراوانی آن ها به مراتب غیر قابل کشف افت کرد.

به علاوه ، تورم سرچشمه ساختار جهان را نیز توضیح داد. قبل از تورم ، سهم جهانی که امروزه میبینیم در حد میکروسکوپی بود و نوسانات کووانتومی چگیلی مواد در این مقیاس های کووانتومی به مقیاس های نجومی رشد کرد . در طی چند هزار میلیون سال بعد نواحی پر چگال تر متراکم شدند و ستاره ها ، کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را بوجود آوردند.