الأشعة الكونية والانفجار الكبير

أكبر دليل قاطع للانفجار الكبير ينبع من خلال رصد خلفية الأشعة الكونية، كان في عام 1948م. وتوقع كاموا بأن الأشعة النووية المتحللة الانفجار الكبير لا تزال تملأ الكون وأخذ في الحسبان كيف أن الكون الساخن، يجب أن يكون منتجاً للهيليوم بشكل وفير. وتشير التقديرات إلى أن من شأنه أن يخفض من درجة حرارة هذا الإشعاع بحوالي 5ْ فوق الصفر المطلق في الكون الحالي.

يعتقد معظم المفكرين في ذلك الوقت، والذي يعلوه، عن مثل الإشعاع سيكون من ناحية الكشف ضعيفاً للغاية.

في عام 1964م، عمل اثنان من علماء الفلك الراديوي وهما أرتو Arno Penirias، وولسون Robert Wilson، للتخلص من التشويش الثابت الذي يؤثر على إشارات هوائي الراديو. وشملت الجهود حتى التخلص من آثار الفضلات التي يتركها الحمام على صحن الهوائي، وتنظيف ما وصفوه مواد عازلة، ومر عام ولا تزال آثار الضوضاء قائمة رغم بذل الكثير من مثل هذه المجهودات - سبب الضوضاء ليس من ذلك .

وعلموا بأن هذه الإشارة ثابتة وموحدة في كل الاتجاهات، سواء كان الاتجاه نحو الشمس أو درب التبانة أو الكثير من الأجزاء الفارغة من السماء. لقد كانت الإشارة قادمة من أبعد من مجرتنا، إضافة إلى كونها غير منتظمة من كل الاتجاهات. وعلى درجة عالية من توحد الخواص isotropy (يعتمد التعريف العلمي الدقيق على التطبيق المستخدمة فيه. فعلى سبيل المثال لدى الحديث عن الإشعاع متوحد الخواص نعني أن الإشعاع له دائماً نفس الشدة لدى قياسها في مختلف الاتجاهات، وفي مجال علم المواد نعني بتوحد الخواص تساوي خواص المادة وعدم تغيرها في الفراغ بتغير الاتجاه). تخبرنا بأن الإشارة نشأت أو في وقت مبكر مناسب، يجب أن يكون المصدر قوياً للغاية إن أردنا الكشف عن ذلك يستدل من علماء الفيزياء أن هذا يجب أن يكون من كرة نارية هائلة من الإشعاع في الانفجار الكبير، كما كشف عنه (Wilson & Penzias)؟ بعد كل ذلك، كانوا يرصدون جزءاً واحداً صغيراً من طيف الإشعاع.

إذا كان حقاً أن الإشعاع من الانفجار الكبير، فسيكون لها نوع من الطيف يسمى بالطيف (الأسود) blackbody spxectrum يكون للإشعاع طيف جسم أسود، إذا بعث من قبل أي شيء يمتص ويعيد انبعاث الضوء بحرية ولكن لا يعكسه (فهو جسم أسود)، وفقاً لنموذج الانفجار الكبير، يجب أن تكون بداية الكون مزدحمة بالجزيئات والضوء، ويجب أن يكون حاراً جداً.

في تلك البيئة، فإن الجسيمات ترتطم بثبات إلى ضوء، تمتصه وتعيد انبعاثه. ويكون للضوء في مثل هذه البيئة طيف أسود، وستحتفظ بخواص طيفية مميزة الشكل، في حين أن الضوء ينتقل عن طريق التوسع في الفضاء.

توجد في طيف الجسم الأسود مساهمة بين الكثافة والطول الموجي، تختلف كمية المساهمة باستمرار مرور الموجات بطريقة مميزة والذي يعتمد فقط على درجة حرارة الجسم التي تنبعث منه. لذلك يمكن لعلماء الفلك التحقق من الطيف الأسود عن طريق قياس كثافة الإشعاع عند أطوال موجية مختلفة.

خلال عام 1970 تمت ملاحظة فئات مختلفة ذات خلفية إشعاعية في مختلف موجات المايكرويف وموجات الأشعة تحت الحمراء، وأكدوا جميعاً بأن لخلفية الإشعاع طيفاً أسود مع درجة حرارة مميزة بحوالي 3 كلفن، وفي الآونة الأخيرة من عام 1991م. قام مرصد القمر الصناعي الذي يسمى مستكشف الخلفية الكونية COBE Cosmic Background Explorer بقياس دقيق لخلفية الإشعاع من مداره حول الأرض، وأعطى نتائج رائعة على الإطلاق، وقد أشارت إلى 34 من البيانات التي تناسب الطيف الأسود، وتناسب بيانات الطيف الأسود تماماً المخطط النظري البياني، الذي تختفي خلف قضبانه أخطاء من نقاط البيانات.

ويعتبر هذا أفضل النتائج تتوافق مع النتائج النظرية ونتائج التطبيقات الملاحظة في تأريخ علم الفلك.

القياس المميز لدرجة حرارة COBE لخلفية الإشعاع الكوني هو 0.010 -/ + 2.726 درجة الحرارة هذه أقل بكثير من درجة الحرارة الأصلية للكون و بسبب عوامل عديدة فإن تمدد الكون يؤدي إلى تمدد الطول الموجي للإشعاع، مما يجعلها أقل نشاطاً. واستغرق وصول الإشعاع إلينا، عملياً عمر الكون كله. والآن يعرف علماء الفلك، أن توسع الكون ادى إلى زيادة في الطول الموجي بحوالي 1000 مرة. وأن الشفق الذي يصلنا من الانفجار الكبير، هو عندما كان للكون من العمر 500,000 سنة. هذا ما يجعل أنه أقدم شيء من خلفية الأشعة الكونية من أي وقت مضى. والذي يشاهد ما يقرب من حالة الانفجار الكبير.

الشكل (1) أعلاه يوضح مخطط بياني لخلفية طيف موجات ميكرويف الأشعة الكونية، مع مؤشر شدة التردد للموجات بالسنتمتر)، يوضح المنحنى الشدة المتوقعة من الطيف الأسود عند 2.73 كلفن، كما تنبأ به نظرية الانفجار الكبير الساخن أخذت البيانات هذه من قبل COBE لـ34 وضع وعلى فترات متساوية على طول هذا المنحني، البيانات تطابق تماما بكثير المتحني النظري، بحيث إن عرض المنحنى الجسم الأسود يخفي الأخطاء المشكوك بها للبيانات.