علم الآثار الكونية: فك لغز الضوء الأول للكون 

يدرس العلماء تأثير kSZ لفهم عصر إعادة التأين، عندما قامت النجوم الأولى بتأيين الهيدروجين وإضاءة الكون المبكر، وذلك باستخدام بيانات من تلسكوب القطب الجنوبي وعمليات المحاكاة المتقدمة

يدرس العلماء عصر إعادة التأين (EoR)، وهو الوقت الذي قامت فيه النجوم والمجرات الأولى بتأين الهيدروجين، مما أدى إلى إلقاء الضوء على الكون المبكر. باستخدام بيانات من تلسكوب القطب الجنوبي وعمليات المحاكاة، يهدف الباحثون إلى تحديد تأثير kSZ الخافت، والذي قد يساعد في فهم توقيت وعملية إعادة التأين، على الرغم من أنهم لم يعثروا بعد على الإشارة

تخيل رحلة العودة إلى زمن الكون المبكر، إلى بداية عصر إعادة التأين. حدث هذا عندما تشكلت النجوم والمجرات الأولى، وفصلت طاقتها البروتونات والإلكترونات في غاز الهيدروجين البدائي الكثيف، مما أدى إلى تكوين فقاعات من الغاز المتأين.

في رحلتك الكونية، ستشاهد العديد من هذه الفقاعات في الظلام، والتي تتجمع تدريجياً، مؤينة كل الهيدروجين الموجود في الكون وتضيء الظلام، مما يسمح بتطور المجرات كما نعرفها اليوم.

لسوء الحظ، لا يستطيع العلماء إنشاء آلات زمنية تعيدنا إلى عصر إعادة التأين، ولكن يمكنهم جمع تيرابايت من البيانات وإنشاء عمليات محاكاة لفهم الكون المبكر وعملية مركزية لفهم تكوين وتطور المجرات.

وفقًا لسرينيفاسان راغوناثان، دكتوراه، زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في مركز مسوحات الفيزياء الفلكية (CAPS) في المركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة (NCSA) في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، "أصدرت هذه النجوم الأولى الكثير من الطاقة، وعندما تتفاعل فوتوناتها فوق البنفسجية مع ذرات الهيدروجين المحايدة، فإنها تخرج إلكترونًا من الذرة، وهذه هي الطريقة التي يتأين بها الكون مرة أخرى."

اكتشاف تأثير kSZ

قاد راغوناثان فريق بحث متعدد المؤسسات حاول اكتشاف تأثير kSZ من خرائط درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية (CMB) باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها من تلسكوب القطب الجنوبي وأداة SPIRE في مرصد هيرشل الفضائي. وقد نشرت نتائج البحث مؤخرا في مجلة Physical Review Letters.

أخذ الفريق بيانات من تلسكوب القطب الجنوبي - المُقاسة بترددات 90 و150 و220 جيجاهرتز في النطاق دون المليمتري - وأجرى تحليلًا رياضيًا يقيس الارتباطات بين أربع نقاط في النظام للبحث عن الطبيعة غير الغوسية للظاهرة. تأثير kSZ. من المتوقع أن يؤدي التأثير إلى زيادة طفيفة في طاقة الإشعاع CMB (المقاسة بدرجة الحرارة) عندما تبدأ المجرات في التشكل وتحدث إعادة التأين في جميع أنحاء الكون.

محاكاة للكون القديم

وللمساعدة في البحث عن إشارة kSZ، طور الباحثون محاكاة حاسوبية عالية الدقة للكون، وعملوا على تصفية الإشارات الزائدة عن الحاجة وتأثيرات عدسة الجاذبية من إشعاع الخلفية الكونية.

وفقا لراجوناثان، "نحن نحاول بناء نموذج إحصائي لعصر إعادة التأين. نحن نعلم أن هناك العديد من المجرات، أو عدد كبير جدا من الفقاعات، وأنه لا بد من وجود ارتباط معين بينها الذي يخلق إشارة kSZ. نحن نحاول تخمين كيف خضع كوننا لعملية إعادة التأين بناءً على الارتباطات هذه."

على الرغم من أن المجموعة لم تكتشف الإشارة بعد، إلا أن النتيجة تعتبر خطوة مهمة للأمام في دراسة الكون المبكر وفي فهم عصر إعادة التأين. إن وضع حد أعلى لفترة انتهاء إعادة التأين يتيح للباحثين معيارًا عمليًا لمزيد من الدراسة للكون المبكر.

وقال راجوناثان: "إن الدراسة الحالية هي خطوة أولى في البحث عن الإشارة، وفي المستقبل القريب، نأمل أن نكتشفها. نحن نعلم أنها موجودة، وأن إعادة التأين قد حدثت. والآن نريد أن نعرف السبب و كيف حدثت العملية برمتها."

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• العصور المظلمة للكون
• تم كسر الرقم القياسي لأبعد مجرة ​​مرة أخرى