الجدول الزمني الانفجار الكبير للكون. تؤثر النيوتريونات الكونية على الإشعاع CMB في وقت إطلاقه ، وتهتم الفيزياء ببقية تطورها حتى اليوم. الصورة الائتمان: ناسا / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).

تم اكتشاف النيوتريونات الكونية ، مما يؤكد آخر تنبؤ كبير لـ Big Bang

دون أن تصطدم بأي شيء لأن الكون كان عمره ثانية واحدة ، لا تزال هذه النيوتريونات تحزم لك!

"عندما ترى كيف يمكن أن تكون الحياة هشة وحساسة ، كل شيء آخر يتلاشى في الخلفية." - جينا موراسكا

بدا الانفجار الكبير ، عندما تم اقتراحه لأول مرة ، وكأنه قصة غريبة من خيال الطفل. من المؤكد أن توسع الكون ، الذي لاحظه إدوين هابل ، يعني أنه كلما كانت المجرة بعيدة ، كانت انحسارها أسرع منا. أثناء توجهنا إلى المستقبل ، ستستمر المسافات الكبيرة بين الأشياء في الزيادة. ليس من الاستقراء العظيم ، إذن ، أن نتخيل أن العودة إلى الزمن ستؤدي إلى كون لم يكن أكثر كثافة فحسب ، ولكن بفضل فيزياء الإشعاع في الكون المتسع ، الأكثر سخونة أيضًا. اكتشاف خلفية الميكروويف الكونية والخلفية الكونية لعناصر الضوء ، وكلاهما تنبأ به الانفجار الكبير ، أدى إلى تأكيده. لكن في العام الماضي ، شوهد أخيرًا توهج متبقٍ لا يشبه أي نوع آخر من النيوتريونات. أخيرًا ، تم تأكيد التوقع الأخير المراوغ للبيغ بانغ. إليك كيف تكشف كل شيء.

رسم توضيحي لمفهوم التذبذبات الصوتية الباريونية ، التي توضح بالتفصيل كيف تتشكل البنية واسعة النطاق من وقت CMB وما بعده. ويتأثر هذا أيضًا بقلة النيوتريونات. الصورة الائتمان: كريس بليك وسام مورفيلد.

منذ سبعين عامًا ، اتخذنا خطوات رائعة للأمام في تصورنا للكون. بدلاً من العيش في الكون الذي يحكمه الفضاء المطلق والزمن المطلق ، عشنا في عالم كان فيه المكان والزمان نسبيًا ، اعتمادًا على المراقب. لم نعد نعيش في عالم نيوتوني ، بل عالم تحكمه النسبية العامة ، حيث تتسبب المادة والطاقة في انحناء نسيج الزمكان نفسه. وبفضل ملاحظات هابل وآخرين ، علمنا أن كوننا لم يكن جامداً ، بل كان يتوسع بمرور الوقت ، حيث كانت المجرات تفصلها عن بعد مع مرور الوقت. في عام 1945 ، حقق جورج جامو أكبر قفزة على الإطلاق: قفزات كبيرة. إذا كان الكون يتوسع اليوم ، مع تراجع كل الأشياء غير المحدودة عن بعضها البعض ، فربما يعني ذلك أن كل تلك الأشياء كانت أقرب إلى بعضها البعض في الماضي. ربما نشأ الكون الذي نعيش فيه اليوم من حالة أكثر كثافة منذ فترة طويلة. ربما يكون الجاذبية قد تجمّع الكون وحشده مع مرور الوقت ، في حين كان أكثر تماثلًا في الماضي البعيد. وربما - نظرًا لأن طاقة الإشعاع مرتبطة بطولها الموجي - فإن هذا الإشعاع كان أكثر نشاطًا في الماضي ، وبالتالي كان الكون أكثر حرارة منذ فترة طويلة.

كيف تضعف المادة والإشعاع في الكون المتسع ؛ لاحظ الانزياح الأحمر للإشعاع إلى الطاقات السفلية والدنيا مع مرور الوقت الصورة الائتمان: E. سيجل.

وإذا كان الأمر كذلك ، فقد أثار مجموعة من الأحداث المثيرة للاهتمام بشكل لا يصدق لأننا نظرنا أبعد وأبعد إلى الماضي:

  • كان هناك وقت قبل أن تتشكل المجرات الكبيرة ، حيث لم تكن هناك سوى مجرات بروتو صغيرة ومجموعات نجوم.
  • قبل ذلك ، كان هناك وقت قبل انهيار الجاذبية أي النجوم ، وكان كل شيء مظلم: الذرات البدائية فقط وإشعاع الطاقة المنخفضة.
  • قبل ذلك ، كان الإشعاع مفعمًا بالنشاط لدرجة أنه يمكن أن يطرد الإلكترونات من الذرات نفسها ، مما يخلق بلازما عالية الطاقة مؤينة.
  • حتى قبل ذلك ، وصل الإشعاع إلى مستويات بحيث يمكن تفكيك النوى الذرية ، مما يخلق البروتونات والنيوترونات الحرة ، ويمنع وجود عناصر ثقيلة.
  • وأخيرًا ، حتى في الأوقات المبكرة ، سيكون للإشعاع الكثير من الطاقة التي - من خلال أزواج المادة والمادة المضادة في أينشتاين - سيتم إنشاؤها تلقائيًا.

هذه الصورة هي جزء مما يُعرف باسم الانفجار الكبير الحار ، وهي تقدم مجموعة كبيرة من التنبؤات.

رسم توضيحي للتاريخ الكوني / تطور الكون منذ بداية الانفجار الكبير. التوضيح: ناسا / CXC / M. Weiss.

كل واحدة من هذه التنبؤات ، مثل الكون المتسق بشكل منتظم والذي كان معدل توسعه أسرع في الماضي ، تنبؤًا قويًا بالوفرة النسبية للعناصر الخفيفة مثل الهيدروجين ، والهيليوم 4 ، والدوتيريوم ، والهيليوم 3 ، والليثيوم ، والأكثر شهرة ، هيكل وخصائص مجموعات المجرة وخيوط على أكبر المقاييس ، ووجود توهج بقايا من بيغ بانغ - الخلفية الميكروويف الكونية - قد تلازم مع مرور الوقت. لقد كان اكتشاف هذا التوهج المتبقي في منتصف الستينيات ، في الواقع ، هو الذي أدى إلى القبول الكبير للبيج بانج ، وتسبب في تجاهل جميع البدائل الأخرى باعتبارها غير قابلة للحياة.

رصيد الصورة: مجلة LIFE ، لأرنو بينزياس وبوب ويلسون مع هوائي Holmdel Horn ، الذي اكتشف CMB لأول مرة.

ولكن كان هناك تنبؤ آخر لم نتحدث عنه كثيرًا ، لأنه كان يعتقد أنه غير قابل للاختبار. كما ترى ، فإن الفوتونات - أو كوانتا الضوء - ليست هي الشكل الوحيد للإشعاع في هذا الكون. عندما تعود جميع الجسيمات في طاقات هائلة ، تصطدم ببعضها البعض ، وتنتج وتبيد ويللي ، يتم أيضًا إنشاء نوع آخر من الجسيمات (والجسيمات المضادة) بوفرة كبيرة: النيوترينو. تم الافتراض في عام 1930 لحساب الطاقات المفقودة في بعض التحلل الإشعاعي ، تم اكتشاف النيوتريونات (والأنتريوترينات) لأول مرة في الخمسينيات حول المفاعلات النووية ، ومن الشمس في وقت لاحق ، من المستعرات الأعظمية ومن المصادر الكونية الأخرى. لكن من الصعب اكتشاف النيوتريونات ، ويصعب اكتشافها على نحو أقل.

طيف الطاقة / التدفق من توهج بقايا الانفجار الكبير: خلفية الميكروويف الكونية. رصيد الصورة: COBE / FIRAS ، مجموعة جورج سموت في LBL.

هذه مشكلة ، وهي مشكلة كبيرة بالنسبة للنيوتريونات الكونية بشكل خاص. كما ترى ، في الوقت الذي نصل فيه إلى يومنا هذا ، فإن خلفية الميكروويف الكونية (CMB) هي فقط عند 2.725 كيلو متر ، أي أقل من ثلاث درجات فوق الصفر المطلق. على الرغم من أن هذا كان نشيطًا بشكل كبير في الماضي ، فقد امتد الكون وتوسع كثيرًا على مدار تاريخه البالغ 13.8 مليار عام ، بحيث أصبح هذا هو كل ما تركناه اليوم. بالنسبة للنيوتريونات ، المشكلة أسوأ: لأنها تتوقف عن التفاعل مع جميع الجسيمات الأخرى في الكون عندما تكون حوالي ثانية واحدة فقط بعد الانفجار الكبير ، يكون لديهم طاقة أقل لكل جسيم من الفوتونات ، كما يفعل الإلكترون / البوزيترون أزواج لا تزال موجودة في ذلك الوقت. نتيجة لذلك ، فإن الانفجار الكبير يقدم تنبؤًا واضحًا للغاية:

  • يجب أن يكون هناك خلفية النيوترينو الكونية (CNB) التي هي بالضبط (4/11) ^ (1/3) من درجة حرارة الخلفية الكونية للميكروويف (CMB).

ويأتي ذلك إلى 1.95 كيلوبايت تقريبًا للـ CNB ، أو الطاقات لكل جسيم في نطاق 100 إلى 200 فولت صغرى. هذا ترتيب طويل بالنسبة لأجهزة الكشف الخاصة بنا ، لأن النيوترينو الأقل طاقة الذي رأيناه على الإطلاق يقع في نطاق الضخمة-فولت.

رصيد الصورة: تعاون IceCube / NSF / جامعة ويسكونسن ، عبر https://icecube.wisc.edu/masterclass/neutrinos. لاحظ الفرق الكبير بين طاقات CNB وجميع النيوتريونات الأخرى.

لذلك لفترة طويلة ، كان من المفترض أن CNB سيكون ببساطة تنبؤًا غير قابل للاختبار لـ Big Bang: سيء جدًا بالنسبة لنا جميعًا. ومع ذلك ، من خلال ملاحظاتنا الدقيقة التي لا تصدق للتقلبات في خلفية الفوتونات (CMB) ، كانت هناك فرصة. بفضل القمر الصناعي بلانك ، قمنا بقياس العيوب في توهج بقايا الانفجار الكبير.

التقلبات في توهج بقايا الانفجار الكبير. الصورة الائتمان: وكالة الفضاء الأوروبية والتعاون بلانك.

في البداية ، كانت هذه التقلبات هي نفس القوة على جميع المقاييس ، ولكن بفضل تفاعل المادة الطبيعية والمادة المظلمة والفوتونات ، توجد "قمم" و "أحواض" في هذه التقلبات. تخبرنا مواقع ومستويات هذه القمم والجوانب المنخفضة بمعلومات مهمة حول محتوى المادة ومحتوى الإشعاع وكثافة المادة المظلمة والانحناء المكاني للكون ، بما في ذلك كثافة الطاقة المظلمة.

أفضل ملاءمة لنموذجنا الكوني (المنحنى الأحمر) للبيانات (النقاط الزرقاء) من CMB. رصيد الصورة: Planck Collaboration: P. A. R. Ade et al.، 2013، A&A، for Planck cooperation.

هناك أيضًا تأثير بسيط للغاية: يمكن للنيوتريونات ، التي لا تشكل سوى نسبة مئوية قليلة من كثافة الطاقة في هذه الأوقات المبكرة ، أن تُحوِّل مراحل هذه الذروة والهبوط بمهارة. إن هذا التحول في الطور - إذا كان قابلاً للاكتشاف - من شأنه أن يوفر ليس فقط دليلاً قويًا على وجود الخلفية النيوترينية الكونية ، ولكنه سيسمح لنا بقياس درجة حرارته في وقت انبعاث CMB ، مما يضع الانفجار الكبير في الاختبار بطريقة جديدة تمامًا .

ملاءمة عدد أنواع النيوترينو المطلوبة لمطابقة بيانات تقلب CMB. ائتمان الصورة: برنت فولين ، لويد نوكس ، ماريوس ميليا ، وتشن بانفيس. القس ليت. 115 ، 091301 - تم النشر في 26 أغسطس 2015.

في العام الماضي ، خرجت ورقة أعدها برنت فولين ولويد نوكس وماريوس ميليا وتشين بان ، واكتشفت هذا التحول في المرحلة لأول مرة. من بيانات بلانك (2013) المتاحة للجمهور ، لم يتمكنوا من اكتشافها بشكل نهائي فحسب ، بل كانوا قادرين على استخدام تلك البيانات لتأكيد وجود ثلاثة أنواع من النيوتريونات - الإلكترون وأنواع الميون وتاو - في الكون: لا أكثر ولا أقل.

عدد أنواع النيوترينو كما يستدل من بيانات تقلب CMB. ائتمان الصورة: برنت فولين ، لويد نوكس ، ماريوس ميليا ، وتشن بانفيس. القس ليت. 115 ، 091301 - تم النشر في 26 أغسطس 2015.

ما لا يصدق حول هذا هو أن هناك تحولًا طورًا في الظهور ، وأنه عندما خرج أطياف بلانك الاستقطاب وأصبح متاحًا للعامة ، فإنها لم تقيد تحول المرحلة إلى أبعد من ذلك فحسب ، بل - كما أعلن علماء بلانك في أعقاب هذا العام اجتماع AAS - سمح لنا أخيرًا بتحديد درجة حرارة هذه الخلفية النيوترينية الكونية اليوم! (أو ما سيكون ، إذا كانت النيوتريونات عديمة الكتلة.) النتيجة؟ 1.96 K ، مع عدم يقين أقل من ± 0.02 K. هذه الخلفية النيوترينية موجودة بالتأكيد ؛ تخبرنا بيانات التقلب أن هذا يجب أن يكون كذلك. له بالتأكيد التأثيرات التي نعرف أنها يجب أن يكون لها ؛ يعد هذا التحول الطوري اكتشافًا جديدًا تم اكتشافه لأول مرة في عام 2015. بالاقتران مع كل شيء آخر نعرفه ، لدينا ما يكفي لذكر أنه نعم ، هناك ثلاثة أنواع نيوترينو متبقٍّة من Big Bang ، مع الطاقة الحركية هذا يتماشى تمامًا مع ما يتوقعه الانفجار الكبير.

درجتان فوق الصفر المطلق لم تكن ساخنة على الإطلاق.

ظهر هذا المنشور لأول مرة في فوربس ، ويتم إحضاره لك مجانًا من قبل مؤيدي باتريون. التعليق على منتدانا ، وشراء كتابنا الأول: ما وراء المجرة!