پرتو های کیهانی و پرتوهای پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB)

پرتوهای پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB).

پرتوهای کیهانی تشعشعات پرانرژی هستند که از فضای بیرونی سرچشمه می گیرند و عمدتاً از پروتون های پر انرژی و هسته های اتمی تشکیل شده اند. آنها دائما جو زمین را از همه جهات با انرژی هایی از چند میلیون الکترون ولت تا انرژی هایی بسیار فراتر از آنچه شتاب دهنده های ذرات ساخته دست بشر می توانند به دست آورند، بمباران می کنند.

اما پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) بقایای سرد شده اولین نوری است که توانست آزادانه در سراسر جهان حرکت کند. این پرتو “فسیلی”، دورترین تابشی است که هر تلسکوپی می تواند ببیند و بلافاصله پس از “بیگ بنگ” منتشر شده است.

دانشمندان آن را پژواک یا «موج شوک» بیگ بنگ می نامند. با گذشت زمان، این نور اولیه به طور قابل توجهی سرد و ضعیف شده است. امروزه ما آن را از طریق محدوده مایکروویو امواج الکترو مغناطیس شناسایی می کنیم.

ماموریت پلانک آژانس فضایی اروپا ESA اولین نور را شناسایی خواهد کرد، که این نور همچنین “قدیمی ترین” پرتو قابل تشخیص است و اطلاعاتی درباره گذشته و آینده ما می دهد. با رصد آن، پلانک جهان را همانگونه که تقریباً در آغاز خود بوده است می بیند.

منابع پرتوهای کیهانی:
– منابع کهکشانی: بیشتر پرتوهای کیهانی از منابع خارج از منظومه شمسی، احتمالاً از ابرنواخترها، تپ اخترها، و دیگر رویدادهای اخترفیزیکی پرانرژی در کهکشان راه شیری منشا می گیرند.

– منابع فراکهکشانی: برخی از پرتوهای کیهانی ممکن است از منابع خارج از کهکشان ما، مانند هسته های فعال کهکشانی، اختروش ها، و انفجارهای پرتو گاما در کهکشان های دور بیایند.

شواهدی برای بیگ بنگ

تابش CMB به طور تصادفی در سال ۱۹۶۵ کشف شد. پنزیاس و ویلسون، دو ستاره شناس رادیویی در ایالات متحده، سیگنالی را در تلسکوپ رادیویی خود ثبت کردند که نمی توان آن را به هیچ منبع دقیقی در آسمان نسبت داد. این پرتو ها روز یا شب، تابستان یا زمستان ظاهراً از همه جا با همان شدت می آمدند، . این دانشمندان به این نتیجه رسیدند که سیگنال باید از خارج از کهکشان ما ، تقریباً از مبدأ کیهان آمده است.

دانشمندان کشف خود را به عنوان مدرک محکمی برای نظریه “بیگ بنگ” در نظر گرفتند. این نظریه پیش‌بینی می‌کرد که «موج ضربه‌ای» آن انفجار اولیه همچنان به‌عنوان «کاغذ دیواری» ظریفی که از همه جا پشت همه کهکشان‌ها، اختروش‌ها و خوشه‌های کهکشانی می‌آید، قابل تشخیص است.

امروزه مدل بیگ بنگ  تنها مدلی است که می تواند وجود CMB را به طور قانع کننده ای توضیح دهد. بر اساس این مدل، جهان با یک فاز بسیار چگال و داغ شروع شد و سپس منبسط شد و در نتیجه آن خود را خنک کرد. برای چند صد هزار سال دما آنقدر بالا بود که اتم های خنثی نمی توانستند تشکیل شوند.

ماده بیشتر از نوترون ها و ذرات باردار (پروتون ها و الکترون ها) تشکیل شده است. الکترون‌ها از نزدیک با ذرات نور برهم‌کنش می‌کردند، و بنابراین نور و ماده در آن زمان به طور محکم جفت شدند (یعنی نور نمی‌توانست مسافت طولانی را در یک خط مستقیم طی کند). بنابراین نور نمی توانست منتشر شود و جهان مات بود.

کیهان خنک تر و شفاف تر

حدود 300000 سال طول کشید تا کیهان به دمایی برسد که در آن اتم ها بتوانند تشکیل شوند (حدود 3000 درجه سانتیگراد). سپس ماده خنثی شد(یعنی پروتون ها الکترون جذب کردند و در نتیجه خنثی شدند) و اجازه داد نور آزادانه حرکت کند: جهان شفاف شد. که  اثر آن “نور اول” پرتوهای پس زمینه مایکروویو کیهانی است.

از زمانی که آن پرتو منتشر شد، جهان منبسط شد و در عین حال سردتر و سردتر شد. پس زمینه کیهانی نیز تحت تأثیر همین فرآیند قرار گرفته و منبسط و سرد شده است. فضا خودش را «کشیده» کرده است، و به همراه آن تمام مقیاس های طولی را در بر گرفته است.

نور به هر حال، یک موج است، درست مانند امواج در دریا، و وقتی موجی را دراز می‌کنید، مقیاس طول مشخصه آن (و همچنین «فرکانس» آن) تغییر می‌کند. امروزه، ما می‌توانیم CMB را در فرکانس‌های مایکروویو یا مقیاس‌های طولی تشخیص دهیم، که برای مثال بسیار طولانی‌تر از مقیاس‌های طولی هستند که چشمان ما به آن‌ها می‌توانند ببینند.

به همین دلیل، چشم انسان نمی تواند امواج مایکروویو را از CMB (یا اشعه ایکس یا اشعه مادون قرمز) ببیند. با این حال، با استفاده از آشکارسازهای طراحی شده خاص، مانند آنهایی که باید توسط پلانک حمل شوند، می توانیم این امواج را مشاهده و ثبت کنیم.

تابش CMB دورترین و قدیمی ترین نوری است که هر تلسکوپ می تواند تشخیص دهد. دیدن فراتر از زمان انتشار آن غیرممکن است زیرا در آن زمان کیهان کاملاً مات بود. CMB ستاره شناسان را تا حد امکان به بیگ بنگ نزدیک می کند و در حال حاضر یکی از امیدوارکننده ترین راه هایی است که ما برای درک تولد و تکامل کیهانی که در آن زندگی می کنیم داریم.

ویژگی های پرتوهای کیهانی:
– ترکیب: پرتوهای کیهانی عمدتاً از پروتون (~90%)، هسته هلیوم (~9%) و هسته های سنگین تر (~1%) مانند کربن، اکسیژن، آهن و غیره تشکیل شده است.

– سطوح انرژی: به دو گروه اصلی طبقه بندی می شوند: پرتوهای کیهانی کم انرژی (ده به توان نه تا ده به توان پانزده الکترون ولت) و پرتوهای کیهانی پرانرژی (بالاتر از ده به توان پانزده الکترون ولت).

– رسیدن به زمین: به دلیل برهم کنش با میدان های مغناطیسی در فضا، پرتوهای کیهانی از همه جهات به زمین می رسند، نه فقط از جهت منبع خود.

اثرات و تعاملات:
– فعل و انفعالات جوی: هنگامی که پرتوهای کیهانی وارد جو زمین می شوند، با اتم ها برخورد می کنند و باران های هوایی گسترده ای از ذرات ثانویه ایجاد می کنند.

– در الکترونیک: پرتوهای کیهانی می توانند با الکترونیک و ارتباطات ماهواره ای تداخل داشته باشند و منجر به تغییر بیت در حافظه کامپیوتر و اختلالات احتمالی در عملیات ماهواره شود.

– تاثیر بیولوژیکی: پرتوهای پر انرژی کیهانی با افزایش احتمال آسیب DNA و ایجاد سرطان، خطراتی را برای فضانوردان در فضا ایجاد می کند.

تشخیص و مشاهده:
– ابزارهای ماهواره ای: ماهواره های مجهز به آشکارسازهای پرتوهای کیهانی و رصدخانه های زمینی به نظارت و مطالعه شار پرتوهای کیهانی کمک می کنند.

– آشکارسازهای میون: ابزارهایی مانند آشکارسازهای میون برای تشخیص ذرات ثانویه ناشی از فعل و انفعالات پرتوهای کیهانی در جو استفاده می شوند.

تحقیق و مطالعه:
پرتوهای کیهانی نقش مهمی در اخترفیزیک، فیزیک ذرات و مطالعه پرانرژی ترین پدیده های کیهان دارند. آنها بینش های ارزشمندی را در مورد ساختار کهکشان ها، منشا عناصر و محیط های شدید موجود در کیهان ارائه می دهند.

نتیجه:
پرتوهای کیهانی بقایای شگفت انگیزی از رویدادهای قدرتمند کیهانی هستند که به طور مداوم سیاره ما را بمباران می کنند و دریچه ای به فرآیندهای پرانرژی شکل دهنده جهان ارائه می دهند.

سرچشمه ها:

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Herschel/Cosmic_Microwave_Background_CMB_radiation#:~:text=The%20Cosmic%20Microwave%20Background%20(CMB,shockwave’%20of%20the%20Big%20Bang.

https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

هوش مصنوعی