استخدام علم الفلك في المايكروويف لاستكشاف الكون

لا يفكر الكثير من الناس في المايكرويف الكوني أثناء قيامهم بتناول طعامهم للغداء كل يوم. نفس النوع من الإشعاع الذي يستخدمه فرن الميكروويف لضرب البوريتو يساعد الفلكيين على استكشاف الكون. هذا صحيح: انبعاثات الميكروويف من الفضاء الخارجي تساعد على إلقاء نظرة خاطفة على طفولة الكون.

تنبعث مجموعة رائعة من الأجسام من الموجات الدقيقة في الفضاء. أقرب مصدر للموجات الدقيقة غير الأرضية هو شمسنا. يمتص الغلاف الجوي الأطوال الموجية المحددة للموجات الدقيقة التي ترسلها. يمكن أن يتداخل بخار الماء في غلافنا الجوي مع الكشف عن إشعاع الميكروويف من الفضاء وامتصاصه ومنعه من الوصول إلى سطح الأرض. وقد علم ذلك علماء الفلك الذين يدرسون إشعاع الميكروويف في الكون بوضع أجهزة الكشف الخاصة بهم على ارتفاعات عالية على الأرض ، أو في الفضاء.

من ناحية أخرى ، يمكن لإشارات الموجات الدقيقة التي يمكنها اختراق الغيوم والدخان أن تساعد الباحثين على دراسة الظروف على الأرض وتعزيز الاتصالات عبر الأقمار الصناعية. اتضح أن علم الميكروويف مفيد من نواح عديدة.

تأتي إشارات الموجات الصغرية بأطوال موجية طويلة جدًا. يتطلب الكشف عنها تلسكوبات كبيرة جدًا لأن حجم الكاشف يحتاج إلى أن يكون أكبر بكثير من الطول الموجي للإشعاع نفسه. إن أشهر مراصد علم الفلك في الموجات الدقيقة موجودة في الفضاء وكشفت تفاصيل حول الأشياء والأحداث على طول الطريق حتى بداية الكون.

مركز خاص بنا مجرة درب التبانة هو مصدر ميكروويف ، على الرغم من أنه ليس واسع النطاق كما هو الحال في المجرات الأخرى الأكثر نشاطًا. ثقبنا الأسود (يسمى القوس A *) هادئ إلى حد ما ، كما تسير هذه الأشياء. لا يبدو أن لديها طائرة ضخمة ، وتتغذى أحيانًا على النجوم والمواد الأخرى التي تقترب كثيرًا.

النجوم النابضة (النجوم النيوترونية الدوارة) مصادر قوية جدًا لإشعاع الميكروويف. هذه الأشياء القوية والمضغوطة تأتي في المرتبة الثانية بعد الثقوب السوداء من حيث الكثافة. تحتوي النجوم النيوترونية على مجالات مغناطيسية قوية ومعدلات دوران سريعة. إنها تنتج طيفًا واسعًا من الإشعاع ، مع انبعاث الميكروويف قوي بشكل خاص. يشار إلى معظم النجوم النابضة عادةً باسم "النجوم النابضة" نظرًا لانبعاثاتها الراديوية القوية ، ولكن يمكن أن تكون أيضًا "مشرقة في الميكروويف".

تقع العديد من المصادر الرائعة للموجات الدقيقة خارج نظامنا الشمسي والمجرة. على سبيل المثال ، المجرات النشطة (AGN) ، مدعومة من الثقوب السوداء الهائلة في نوىهم ، تنبعث منها انفجارات قوية من الموجات الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لمحركات الثقب الأسود إنشاء طائرات ضخمة من البلازما التي تتوهج أيضًا بشكل مشرق عند أطوال موجات الميكروويف. يمكن أن تكون بعض هياكل البلازما هذه أكبر من المجرة بأكملها التي تحتوي على الثقب الأسود.

في عام 1964 ، علماء جامعة برينستون ديفيد تود ويلكنسون ، روبرت هـ. قرر ديكي وبيتر رول بناء كاشف للبحث عن الموجات الدقيقة الكونية. لم يكونوا الوحيدين. كان عالمان في مختبرات Bell Labs - Arno Penzias و Robert Wilson - يبنون أيضًا "بوقًا" للبحث عن الموجات الدقيقة. تم توقع مثل هذا الإشعاع في أوائل القرن العشرين ، ولكن لم يفعل أي شخص أي شيء بشأن البحث عنه. أظهرت قياسات العلماء لعام 1964 "غسلًا" باهتًا لإشعاع الميكروويف عبر السماء بأكملها. اتضح الآن أن توهج الميكروويف الخافت هو إشارة كونية من الكون المبكر. ذهب Penzias وويلسون للفوز بجائزة نوبل للقياسات والتحليلات التي قاموا بها والتي أدت إلى تأكيد الخلفية الكونية الميكروويف (CMB).

في نهاية المطاف ، حصل الفلكيون على الأموال اللازمة لبناء كاشفات الميكروويف الفضائية ، والتي يمكن أن تقدم بيانات أفضل. على سبيل المثال ، أجرى القمر الصناعي Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) دراسة تفصيلية لهذا الإشعاع CMB بدءًا من عام 1989. ومنذ ذلك الحين ، رصدت ملاحظات أخرى أجريت باستخدام مسبار ويلكينسون للميكروويف المتغاير (WMAP) هذا الإشعاع.

CMB هو الشفق التالي للانفجار الكبير ، الحدث الذي دفع كوننا إلى الحركة. كانت ساخنة وحيوية بشكل لا يصدق. مع توسع الكون حديث الولادة ، انخفضت كثافة الحرارة. بشكل أساسي ، تم تبريده ، وما هي الحرارة القليلة التي تم نشرها على مساحة أكبر وأكبر. اليوم ، يبلغ عرض الكون 93 مليار سنة ضوئية ، ويمثل CMB درجة حرارة تبلغ حوالي 2.7 كلفن. يعتبر الفلكيون أن درجة الحرارة المنتشرة مثل إشعاع الميكروويف ويستخدمون التقلبات الطفيفة في "درجة حرارة" الإشعاع CMB لمعرفة المزيد عن أصول الكون وتطوره.

تنبعث موجات الميكروويف بترددات تتراوح بين 0.3 جيجا هرتز و 300 جيجا هرتز. (واحد غيغا هرتز يساوي مليار هرتز. يتم استخدام "Hertz" لوصف عدد الدورات في الثانية التي ينبعث منها شيء ما ، مع وجود هرتز واحد دورة واحدة لكل الثانية.) هذا النطاق من الترددات يتوافق مع الأطوال الموجية بين ملليمتر (واحد من الألف من المتر) و متر. كمرجع ، تنبعث البث التلفزيوني والإذاعي في الجزء السفلي من الطيف ، بين 50 و 1000 ميجاهرتز (ميجاهيرتز).

غالبًا ما يوصف إشعاع الميكروويف بأنه نطاق إشعاع مستقل ولكنه يعتبر أيضًا جزءًا من علم علم الفلك الراديوي. غالبًا ما يشير علماء الفلك إلى الإشعاع بأطوال الموجات في تحت الحمراء البعيدةوالميكروويف ونطاقات الراديو فائقة التردد (UHF) كجزء من إشعاع "الموجات الدقيقة" ، على الرغم من أنها من الناحية الفنية ثلاثة نطاقات طاقة منفصلة.