Podcast: Play in new window | Download

آنچه می‌شنوید (و مقداری اطلاعات بیشتر)

خلاصه

وقتی به آسمون نگاه می‌کنیم، فقط فضا رو نمی‌بینیم؛ گذشته رو هم می‌بینیم. چون نور برای رسیدن به ما زمان لازم داره، هرچه یک جرم آسمونی دورتر باشه، تصویر قدیمی‌تری از اون به چشم ما می‌رسه. اگر این مسیر رو تا دورترین گذشتهٔ قابل‌دیدن ادامه بدیم، به نوری می‌رسیم که حدود ۳۸۰ هزار سال بعد از مهبانگ آزاد شده: تابش زمینهٔ ریزموج کیهانی یا CMB.

این نور زمانی از ماده جدا شد و تونست در جهانی بسیار داغ آزادانه حرکت کنه، اما انبساط جهان طول موجش رو کشید و دماش رو به حدود ۲٫۷۲۵ کلوین، یعنی تقریباً منفی ۲۷۰٫۴ درجهٔ سانتی‌گراد، رسوند. تغییرهای خیلی کوچیک دمای این تابش هم مهم‌ان، چون ردّ اولین تفاوت‌های چگالی رو در خودشون نگه داشته‌ان؛ تفاوت‌هایی که بعداً با کمک گرانش رشد کردن و به ستاره‌ها، کهکشان‌ها و ساختار بزرگ امروزی جهان تبدیل شدن.

از یک سؤال ساده شروع کنیم: وقتی به آسمون نگاه می‌کنیم، چه زمانی رو می‌بینیم؟

برای رسیدن به تابش زمینهٔ کیهانی، بهتره اول از خود نور شروع کنیم. نور با سرعت خیلی زیادی حرکت می‌کنه، اما سرعتش بی‌نهایت نیست. مثلاً نور خورشید حدود هشت دقیقه در راهه تا به زمین برسه. پس خورشیدی که همین حالا می‌بینیم، در واقع خورشید هشت دقیقهٔ پیشه.

همین قاعده برای اجرام دورتر هم برقرار می‌مونه. اگر یک کهکشان دو میلیارد سال نوری از ما فاصله داشته باشه، نوری که امروز از اون دریافت می‌کنیم دو میلیارد سال پیش راه افتاده. ما اون کهکشان رو در زمان حالش نمی‌بینیم؛ داریم گذشته‌اش رو تماشا می‌کنیم.

پس تلسکوپ فقط وسیله‌ای برای دیدن جاهای دور نیست؛ یک جور ماشین زمانه. هرچه دورتر رو نگاه کنیم، به دورهٔ قدیمی‌تری از تاریخ جهان می‌رسیم. علاوه بر این، نور فقط تصویر نمی‌آره. وقتی نور رو به طول موج‌های مختلفش تقسیم می‌کنیم—چیزی که بهش طیف نور می‌گن—می‌تونیم دربارهٔ دما، حرکت و مواد سازندهٔ ستاره‌ها و کهکشان‌ها هم اطلاعات به دست بیاریم.

حالا یک سؤال طبیعی پیش میاد: اگر مرتب دورتر و دورتر رو ببینیم، آیا می‌تونیم تا خود لحظهٔ مهبانگ عقب بریم؟ پاسخ کوتاه اینه که نه. در یک نقطه، با دیواری روبه‌رو می‌شیم که نور قدیمی‌تر نمی‌تونه از پشت اون به ما برسه. برای فهمیدن دلیلش باید ببینیم جهان خیلی جوان چه وضعی داشته.

هرچه عقب‌تر می‌ریم، جهان کدرتر می‌شه

برای فهمیدن کدر بودن جهان آغازین، اول یک اتم ساده رو در نظر بگیرین. اتم یک هسته داره و الکترون‌ها اطراف اون قرار می‌گیرن. اما اگر محیط بیش از حد داغ باشه، الکترون‌ها نمی‌تونن کنار هسته‌ها بمونن. در نتیجه، به‌جای اتم‌های خنثی، مخلوطی از هسته‌ها و الکترون‌های آزاد داریم. به این حالت ماده پلاسما می‌گن.

جهان در چندصدهزار سال اول همین وضعیت رو داشت. همه‌جا بسیار داغ و پر از پلاسما بود. فوتون‌ها—یعنی ذرات نور—در این محیط مدام به الکترون‌های آزاد برخورد می‌کردن و جهت حرکتشون عوض می‌شد. نور وجود داشت، اما نمی‌تونست یک مسیر مستقیم و طولانی رو طی کنه.

می‌شه این وضعیت رو به نور چراغ در مه غلیظ تشبیه کرد. در مه، نور خاموش نشده؛ قطره‌های آب مرتب اون رو پخش می‌کنن و اجازه نمی‌دن منظرهٔ دور رو ببینیم. در جهان آغازین هم الکترون‌های آزاد همین نقش رو برای نور داشتن. بنابراین جهان جوان روشن و پرانرژی بود، اما شفاف نبود.

این کدری توضیح می‌ده چرا با نور معمولی نمی‌تونیم دوره‌های قدیمی‌تر رو ببینیم. اما جهان برای همیشه در این وضعیت نموند. انبساط جهان باعث شد دما پایین بیاد و همین سردشدن، راه نور رو باز کرد.

جهان چطور برای نور شفاف شد؟

با بزرگ‌ترشدن جهان، ماده و تابش در فضای بیشتری پخش شدن و دما کم‌کم پایین اومد. حدود ۳۸۰ هزار سال بعد از مهبانگ، دما به نزدیکی ۳۰۰۰ کلوین رسید. در این دما، الکترون‌ها بالاخره تونستن به هسته‌ها وصل بشن و اتم‌های خنثی بسازن.

وقتی تعداد الکترون‌های آزاد کم شد، فوتون‌ها هم کمتر به مانع برخورد کردن. نوری که تا اون زمان بارها پراکنده شده بود، حالا می‌تونست آزادانه در جهان حرکت کنه. به این مرحله بازترکیب می‌گن؛ یعنی دوره‌ای که هسته‌ها و الکترون‌ها کنار هم قرار گرفتن و اتم‌های خنثی شکل گرفتن.

تابش زمینهٔ ریزموج کیهانی همون نوریه که در این مرحله آزاد شد و بعد از میلیاردها سال به ما رسیده. بنابراین CMB تصویر خود لحظهٔ مهبانگ نیست. این تابش تصویر قدیمی‌ترین زمانیه که جهان برای نور شفاف شده بود؛ درست مثل اولین منظره‌ای که بعد از کناررفتن مه ظاهر می‌شه.

تا اینجا فهمیدیم این نور کِی و چرا آزاد شده. اما یک مسئله باقی می‌مونه: جهانی که نور رو آزاد کرد حدود ۳۰۰۰ کلوین دما داشت، در حالی که دمای CMB امروز فقط ۲٫۷۲۵ کلوینه. برای فهمیدن این تفاوت باید اثر انبساط جهان رو روی خود نور بررسی کنیم.

نور داغ چطور به تابش سرد تبدیل شد؟

وقتی فضا منبسط می‌شه، فاصلهٔ میان کهکشان‌ها بیشتر می‌شه. اما اثر انبساط فقط به فاصله‌ها محدود نیست؛ طول موج نوری که در فضا حرکت می‌کنه هم کشیده می‌شه. هرچه طول موج بلندتر بشه، انرژی نور کمتر می‌شه. به این فرایند انتقال به سرخ کیهانی می‌گن.

پس فوتون‌های CMB در آغاز انرژی خیلی بیشتری داشتن، ولی هم‌زمان با انبساط جهان، طول موجشون کشیده و انرژی‌شون کمتر شد. به همین دلیل، این نور امروز در محدودهٔ ریزموج دیده می‌شه و دمای اون حدود ۲٫۷۲۵ کلوینه.

اینجا مقیاس کلوین ممکنه کمی گیج‌کننده باشه. صفر کلوین، یا صفر مطلق، برابر با منفی ۲۷۳٫۱۵ درجهٔ سانتی‌گراده. بنابراین ۲٫۷۲۵ کلوین به معنی دو سه درجه بالای صفر سانتی‌گراد نیست؛ تقریباً برابر با منفی ۲۷۰٫۴ درجهٔ سانتی‌گراده.

این تابش خیلی سرد همه‌جای فضا حضور داره. به‌طور میانگین، در هر سانتی‌متر مکعب از فضا حدود ۴۰۰ فوتون CMB وجود داره. اسم «ریزموج» ممکنه ما رو یاد اجاق مایکروویو بندازه، اما شباهت فقط در محدودهٔ طول موجه. CMB فوق‌العاده ضعیف و سرده و هیچ شباهتی به گرمای داخل اجاق نداره.

حالا که می‌دونیم دنبال چه نوری هستیم و چرا این نور سرد شده، می‌تونیم به سؤال بعدی برسیم: دانشمندها چطور چنین تابش ضعیفی رو پیدا کردن؟

نویزی که تبدیل به یک کشف بزرگ شد

سال‌ها پیش از کشف CMB، فیزیک‌دان‌ها به این نتیجه رسیده بودن که اگر جهان در گذشته بسیار داغ بوده، باید بخشی از نور اون دوران هنوز باقی مونده باشه. رالف آلفر و رابرت هرمن در اواخر دههٔ ۱۹۴۰ وجود یک پس‌تاب سرد رو پیش‌بینی کردن، اما در اون زمان ابزار مناسبی برای پیداکردنش وجود نداشت.

در دههٔ ۱۹۶۰، آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون با یک آنتن رادیویی بسیار حساس کار می‌کردن. اون‌ها می‌خواستن سیگنال‌های ضعیف آسمون رو دریافت کنن، اما یک نویز یکنواخت از همهٔ جهت‌ها به دستگاه می‌رسید. هر منبع شناخته‌شده‌ای رو بررسی کردن، آشکارساز رو سرد کردن و حتی آلودگی کبوترهای داخل آنتن رو پاک کردن؛ ولی نویز از بین نرفت.

هم‌زمان، گروهی به سرپرستی رابرت دیکی در دانشگاه پرینستون برای جست‌وجوی همون پس‌تاب کیهانی آماده می‌شدن. وقتی دو گروه نتیجه‌هاشون رو با هم مقایسه کردن، مشخص شد نویز از دستگاه نیست؛ آنتن پنزیاس و ویلسون داشت تابشی واقعی رو از سراسر آسمون دریافت می‌کرد. اون‌ها بدون این‌که از ابتدا قصدش رو داشته باشن، CMB رو پیدا کرده بودن. این کشف بعدها بخشی از جایزهٔ نوبل فیزیک سال ۱۹۷۸ رو برای اون دو به همراه آورد.

پیداکردن این تابش ثابت کرد پس‌تاب جهان آغازین واقعاً وجود داره. قدم بعدی این بود که دانشمندها به‌جای فقط شنیدن یک نویز یکنواخت، جزئیات بسیار ظریف اون رو اندازه بگیرن.

از یک پس‌زمینهٔ تقریباً صاف تا جهان پر از کهکشان

ماهواره‌های COBE، WMAP و Planck CMB رو با دقتی بسیار بیشتر از آنتن‌های زمینی اندازه گرفتن. اولین نتیجه این بود که طیف این تابش با چیزی که از یک جهان داغ و در حال انبساط انتظار داریم، سازگاری خیلی خوبی داره. اما نقشه‌های دقیق‌تر یک نکتهٔ مهم دیگه رو هم نشون دادن: دمای CMB در همهٔ جهت‌ها کاملاً یکسان نیست.

این تفاوت‌های دما بسیار کوچیک‌ان، اما بی‌اهمیت نیستن. اختلاف دما نشون می‌ده چگالی ماده در جهان نوزاد هم در همه‌جا دقیقاً برابر نبوده. بعضی ناحیه‌ها فقط کمی چگال‌تر از اطرافشون بودن. همین تفاوت خیلی کوچک کافی بود تا گرانش در طول میلیاردها سال مادهٔ بیشتری رو به اون ناحیه‌ها بکشه.

اینجا زنجیرهٔ شکل‌گیری ساختار روشن می‌شه: تفاوت خیلی کوچک در چگالی، گرانش کمی قوی‌تر ایجاد کرد؛ گرانش قوی‌تر مادهٔ بیشتری جمع کرد؛ و انباشته‌شدن ماده به پیدایش ستاره‌ها، کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی رسید. به همین دلیل، لکه‌های ریز نقشهٔ CMB رو می‌شه بذر ساختارهای بزرگ امروزی جهان دونست.

اندازه و الگوی همین لکه‌ها اطلاعات بیشتری هم به ما می‌ده. وقتی داده‌های CMB رو در کنار مشاهده‌های دیگه می‌ذاریم، می‌فهمیم مادهٔ معمولی—یعنی سازندهٔ ستاره‌ها، سیاره‌ها و بدن ما—فقط حدود ۵ درصد از محتوای جرم‌ـ‌انرژی جهانه. مادهٔ تاریک حدود ۲۷ درصد و انرژی تاریک حدود ۶۸ درصد رو تشکیل می‌دن.

مادهٔ تاریک و انرژی تاریک یک چیز نیستن. مادهٔ تاریک با گرانشش به شکل‌گیری و کنارهم‌ماندن ساختارها کمک می‌کنه. انرژی تاریک نامی برای پدیدهٔ ناشناخته‌ایه که با شتاب‌گرفتن انبساط جهان ارتباط داره. بنابراین CMB فقط یک عکس قدیمی نیست؛ نوعی پروندهٔ اطلاعاتیه که از روی اون می‌تونیم دربارهٔ سن، هندسه، ترکیب و روند رشد جهان تحقیق کنیم.

منابع علمی و مطالعهٔ بیشتر

جمع‌بندی

داستان تابش زمینهٔ کیهانی یک مسیر پیوسته داره. اول فهمیدیم نور برای رسیدن به ما زمان لازم داره و به همین دلیل دیدن فاصله‌های دور، دیدن گذشته است. بعد به دوره‌ای رسیدیم که جهان به خاطر وجود الکترون‌های آزاد کدر بود. با سردشدن جهان، اتم‌های خنثی شکل گرفتن، راه نور باز شد و CMB سفر خودش رو آغاز کرد.

انبساط جهان این نور رو کشید و سرد کرد. دانشمندها ابتدا اون رو به شکل یک نویز سمج پیدا کردن و بعد با ماهواره‌ها جزئیاتش رو به نقشه تبدیل کردن. در نهایت، همون لکه‌های بسیار کوچک نشون دادن ساختار عظیم امروز جهان چطور از تفاوت‌های کوچیک جهان نوزاد رشد کرده.

پس CMB فقط قدیمی‌ترین نور قابل‌دیدن نیست. این تابش پلیه میان جهان ساده و تقریباً یکنواخت آغازین و جهانی که امروز پر از ستاره، کهکشان و ساختارهای پیچیده است.