Behzad AZ
06-26-2010, 07:25 AM
كيهان شناسي انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ نظريه اي است كه به طور گسترده براي پيدايش و تكامل جهان مورد قبول است. اين نظريه ادعا دارد كه 12 تا 14 بيليون سال پيش تمام جهاني كه امروز مي بينيم تنها در ميان چند ميليمتر بود.بعد ها اين منظقه با چگال با دماي بالا در اثر انبساط به كيهان بسيار خنك تر همان طور كه ما در آن زندگي مي كنيم تبديل شد.ما اكنون مي توانيم بقاياي اين ماده چگال با دماي بالا را با كيهاني سرد همراه تششعات ريز موجي كه هنوز هم در جهان پخش است و براي ردياب ريزموج ها مانند تابشي يكنواخت در سراسر پهنه آسمان است ، ببنيم.
- چگونگي پيدايش مدل انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ بر دو ستون نظريه اي استوار است:
1) نسبيت عام:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/einst_8s.jpg
اولين ايده ها در سال 1916 آغاز شد ، زماني كه انيشتين نظريه ي نسبيت عام خود را كه نظريه اي جديد براي گرانش در نظر گرفته شده بود ، انتشار داد.نظريه ي او نظريه ي اصلي ايزاك نيوتون در سال 1680 در مورد گرانش – كه براي اجسام ساكن و در حال حركت يكسان بود- را تعميم مي داد. جاذبه نيوتوني تنها براي اجسام ساكن يا اجسام با سرعت كم در مقايسه با سرعت نور (نه آن قدرها محدود!) صحيح است.يك ايده بر اين تصور است كه نسبيت عام نوعي جاذبه است كه ديگر به عنوان ميدان گرانشي شرح داده نمي شود بلكه انحنايي در خود فضا و زمان شناخته مي شود. جان ويلر ، فيزيك دان ، آن را تمام و كمال وصف كرد: " ماده به فضا مي گويد چگونه انحنا يابد و قضا به ماده مي گويد چگونه حركت كند ." در واقع ، اين نظريه قادر به بيان علت حالت عجيب در مدار عطارد و خم كردن نور توسط خورشيد كه در تئوري گرانشي آيزاك نيوتون شرح داده نشده بود ، بود. در قرن اخير اين تئوري آزمايش هاي سختي را پشت سر گذاشت.
2) قانون كيهان شناسي:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990047s.jpg
بعد از معرفي نسبيت عام چند تن از دانشمندان از جمله انيشتين سعي در اجراي مكانيك گرانشي جديدي بر تمام جهان كردند. در آن زمان نياز به فرضي در مورد چگونگي توزيع جهان بود. ساده ترين فرضي كه ميتوانست داشت اين بود كه اگر شما با ديدي به قدر كافي ضعيف به دنيا نگاه كنيد تمام قسمت هاي آن و در تمام جهات به طور ناهموار يكسان به نظر مي آيند. پس مواد جهان اگر در يك مقياس بزرگ قرار گيرند ، مشابه و داراي خواص فيزيكي يكسان هستند. به اين قانون كيهان شناسي گويند. اين فرض به طور مداوم در حال آزمايش است همان طور كه ما توزيع جهان را در مقياس بزرگ مشاهده مي كنيم. اين عكس نشان مي دهد كه چگونه توزيع كهكشان هاي شمرده شده در نوار 30 درجه ي آسمان يكسان است. به علاوه تششعات زمينه ريزموج كيهاني ، بازمانده گرماي انفجار بزرگ ، دمايي يكسان در سراسر آسمان دارند. اين واقعيت ، تصور اين كه گاز خارج شده از تششعات مدتها پيش به طور يكسان توزيع شده را تاييد كرد.
اين دو ايده تمام پايه هاي تئوري هاي كيهان شناسي انفجار بزرگ را شكل داد و به سمت پيش بيني هاي خيلي علمي براي ويژگي هاي قابل مشاهده تمام جهان هدايت كرد.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_concepts.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_concepts.html)
* اساس كيهان شناسي انفجار بزرگ:
اساس كيهان شناسي انفجار بزرگ به ده ايده ي كليدي در اوايل قرن 20 برمي گردد : نسبيت عام و قوانين كيهان شناسي . با فرض اين كه ماده در جهان در مقياس بزرگ به طور يكسان توزيع شده است مي توان با استفاده از نسبيت عام اثر گرانشي متناظر با ماده را محاسبه كرد. از آنجاكه جاذبه ويژگي فضا-زمان در نسبيت عام است اين با محاسبه حركت شناسي خود فضا-زمان معادل است. داستان به صورت زير آشكار شد:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990006s.jpg
با دادن اين فرضيه كه مواد جهان همگن و داراي خواص فيزيك متشابه است ( قانون كيهان شناسي) مي توان نشان داد كه انحراف متناسب فضا-زمان ( كه به اثر گرانشي ماده بستگي دارد ) مي تواند تنها سه شكل– همان طور كه به طور قياسي در شكل آورده شده-. داشته باشد . مي تواند مانند سطح يك توپ به طور مثبت خم شود و سطحش محدود باشد ، مي تواند مانند يك زين به طور منفي خم شود و سطحش نامحدود باشد يا مي تواند صاف باشد و سطح نامحدود داشته باشد – مانند تصور معمولي فضا. يك محدوديت كليدي در تصاوير نشان داده شده وجود دارد كه تنها مي توان انحناي 2-بعدي را براي انحناي 3-يعدي حقيقي تصاوير تصور كرد! به ياد داشته باشيد كه اگر در فضاي بسته يك سفر را در يك جهت آغاز كرده و زمان اجازه دهد ، سرانجام به نقطه شروع خود بازميگرديد در حالي كه در جهان نامحدود شما هيچ گاه بازنمي گرديد.
قبل از اين كه توضيح دهيم كدام تصوير جهان ما را توصيف مي كند ( اگر بكند ) بايد مقداري توضيح داده شود:
· به دليل عمد محدود جهان ( حدود 13.7 بيليون سال) تنها مي توانيم مسافتي محدود را در فضا مشاهده كنيم : حدود 13.7 بيليون سال نوري. اين افق رويداد ماست.مدل انفجار بزرگ تلاشي براي توصيف ناحيه ي خارج از افق رويداد نميكند. فضا-زمان ميتواند در آنجا كاملا متفاوت باشد.
· اين امكان دارد كه جهان از آن جا كه هنوز همان انحناي محلي را دارد، توپولوژي جهاني پيچيده تري در مقايسه با آنچه در اينجاتصور مي شود ، داشته باشد. براي مثال ميتواند شكل يك ماهيچه (دنات= نان شيريني گرد و حلقه مانند ) را داشته باشد. ميتواند راه حل هايي براي آزمايش اين ايده باشد اما اكثر مباحث دنبال شده ساده هستند.
ماده نقش مهمي را در كيهان شناسي بازي مي كند . ماده به اين نتيجه ميرسد كه چگالي متوسط ماده به طور يكتا هندسه جهان را ( بر اساس حدود درج شده در بالا ) تعيين مي كند. اگر چگالي ماده كمتر از چگالي بحراني باشد ، جهان نامحدود و باز است. اگر چگالي بيشتر از چگالي بحراني باشد جهان بسته و محدود است. اگر چگالي برابر چگالي بحراني باشد ، جهان تخت است اما احتمالا هنوز نامحدود است. مقدار چگالي بحراني بسيار كوچك است : مقدار آن برابر 6 اتم هيدرژن ناهموار در متر مكعب است ، يك خلاء خوب متحير كننده در استاندارد هاي زميني! يكي از سوالات كليدي علمي در كيهان شناسي كنوني اين است كه : چگالي متوسط مواد جهان ما چقدر است؟ هرچند پاسخي تا اكنون براي اين سوال داده نشده است اما به نظر مي رسد كه پاسخ به طور آزار دهنده اي به چگالي بحراني ارتباط دارد.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/990350/990350s.jpg
با دادن يك قانون در مورد جاذبه و يك فرض در مورد اين كه ماده چگونه توزيع شده است ، قدم بعدي حل كردن حركت شناسي جهان است-چگونه فضا و ماده درون آن با زمان نمو دارند؟ جزئيات بستگي به اطلاعات بيشتر در مورد ماده در جهان دارد ، براي مثال چگالي ( جرم واحد حجم) و فشار ( نيروي واحد سطح) آن. ، اما تصاوير كلي پديدار شده نشان مي دهد كه جهان از يك حجم كوچك پديد آمده است و حادثه بعدي انفجار بزرگ با سرعت آغازي انبساط بود . براي اكثر قسمت ها اين سرعت انبساط به خاطر كشش گرانشي هر ماده بر خودش كاهش يافته است . يك سوال كليدي براي سرانجام جهان اين است كه آيا كشش جاذبه به آن اندازه كافي است كه سرانجام انبساط را وارون كند و سبب متلاشي شدن جهان به درون خود شود؟ . در واقع مشاهدات اخير احتمال آن را مي دهد كه سرعت انبساط جهان در حال افزايش است و باعث افزايش احتمال اين مي شودكه تكامل جهان اكنون توسط ماده اي خيالي كه فشاري منفي دارد كنترل مي شود .
تصوير بالا سناريو هاي قابل قبول براي اندازه هاي نسبي جهان در برابر زمان را نشان مي دهد: انحناي پاييني (سبز) نشان دهنده تخت است ، جهان با چگالي بحراني كه سرعت انبساط در آن در حال كاهش است(انحنا حتي عمودي تر مي شود) . انحناي وسط(آبي) نشان دهنده جهان باز با چگالي كمتر از چگالي بحراني است كه در آن نيز انبساط جهان در در حال كاهش است اما نه به اندازه جهان با چگالي بحراني زيرا كشش جاذبه به آن شدت نيست. بالاترين منحني ( قرمز) نشان دهنده جهاني است كه كسر بزرگي از جرم/انرژي آن احتمالا در خلا زياد فضا است كه با نام ثابت كيهان شناسي شناخته مي شود و نمونه برجسته ي آنچه كه با نام انرژي تاريك شناخته مي شود و باعث انبساط جهان مي شود ، است. شواهد بسياري در حال كشف است كه جهانمان از اين منحني پيروي مي كند.
* لطفا از تصورات غلط عمومي در مورد انفجار بزرگ و انبساط دوري كنيد:
· انفجار بزرگ در يك نقطه فضا مانند انفجار رخ نداده است. بهتر است آن را مانند ظاهرهمزمان فضا در كل جهان تصور كنيم. آن قسمت فضا كه شامل افق اكنون ما است ، در گذشته به راستي از يك نقطه بزرگتر نبود.در واقع اگر تمام فضاي درون و بيرون افق ما اكنون نامحدود بود ريال نامحدود به دنيا آمده بود. اگر محدود و بسته بود ، از حجم صفر متولد شده بود و انبساط يافت. در هر دو مورد مركز انفجار – جايي كه جهان از آن نقطه شروع به انبساط كرد- وجود ندارد. در مقايسه با توپ ، شعاع توپ با انبساط جهان افزايش مي يابد اما تمام سطح توپ (جهان) در مدل برابر از يكديگر فاصله ميگيرند . درون توپ نبايد به جهان در اين مقايسه وابسته باشد.
· بنا بر تعريف ، جهان تمام فضا و زمان را همان طور كه مي دانيم احاطه كرده است بنابراين فراسوي ناحيه ي مدل انفجار بزرگ است كه بتوان تصور كرد جهان در آن در حال انبساط است. در جهان باز يا بسته تنها لبه فضا-زمان در زمان انفجار بزرگ رخ داد ( و شايد نقطه مقابل خرد شدن عظيم) بنابراين به طور منطقي نيازي نيست كه در باب اين سوال تفكر كرد.
· اين فراسوي ناحيه ي مدل انفجار بزرگ است كه بتوان گفت چه چيزي باعث پيشرفت انفجار بزرگ شد. چند تئوري متفكرانه در مورد اين موضوع وجود دارد ، اما هيچ كدام تا اكنون به طور واقعي قابل آزمايش نبودند.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990025s.jpg
بر اساس اين نكته ، تنها فرضي كه ميتوان در مورد جهان داشت اين است كه مواد توزيع شده در مقياس بزرگ همگن و داراي خواص فيزيكي متشابه هستند. در خانواده مدل هاي انفجار بزرگ چند پارامتر آزاد وجود دارد كه بايد توسط مشاهدات جهانمان ثابت شود. مهمترين آن ها اين هاست: هندسه جهان ( باز، بسته يا تخت) ، سرعت انبساط كنوني ( ثابت هابل ) ، مسير سراسري انبساط ، گذشته وآينده ، كه با چگالي كسري انواع گوناگون ماده در جهان شناخته مي شود . به خاطر داشته باشيد كه سن كنوني جهان به دنبال تاريخ انبساط و سرعت كنوني انبساط ، استنباط مي شود.
همان طور كه در بالا آورده شده است ، هندسه و تكامل جهان بر اساس سهم كسري مواد گوناگون شناخته شد. از آن جايي كه تراكم انرژي و فشار در استحكام نسبيت عام مشاركت دارند ، كيهان شناسان انواع ماده را بر اساس " معادله حالت" – ارتباط بين فشار و تراكم انرژي آن- طبقه بندي مي كنند. طرح طبقه بندي اوليه به شكل زير است:
· تششعات : از ذرات كم جرم يا حدود كم جرم كه با سرعت نور حركت مي كنند تشكيل شده است. مثال آشنا شامل فوتون ها (نور) و نوتريون ها است. اين گونه مواد با داشتن فشار مثبت قوي توصيف مي شوند.
· مواد باريوني: موادي عادي هستند كه به طور عمده از پروتون و نوترون و الكترون تشكيل شده اند. اين نوع ماده اساسا از نظر كيهانشناسي اهميت چنداني ندارد.
· ماده سياه : اين واژه به طور عمده به ماده بيگانه غير باريوني كه با مواد عادي تنها به طور ضعيف فعل و انفعال دارد ، اشاره دارد .از آن جا كه اين مواد هيچ گاه به طور مستقيم در آزمايشگاه مشاده نشد ، وجود آن مدت ها مورد شك و ترديد بود ( دلايل در قسمت بعدي)
· انرژي تاريك : اين يك ماده واقعا خيالي يا احتمالا با خاصيت خلا است كه توسط فشار بزرگ منفي توصيف مي شود. اين نوع ماده تنها علتي براي تسريع سرعت انبساط جهان است.
يكي از مشكلات اساسي كيهان شناسي كنوني اين است كه چگالي كلي و نسبي( جرم واحد حجم ) هر يك از اين انواع ماده را تعيين كنند ، از آنجايي كه فهميدن تكامل و سرانجام جهانمان ضروري است.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests.html)
* آزمايش كيهان شناسي انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ توسط چندين مشاهدات تائيد شده است ( كه هر كدام در قسمت هاي جداگانه بررسي شده است):
انبساط جهان : مشاهدات ادوين هابل در سال 1929 كه نشان داد كهكشان ها در حال دور شدن از ما هستند نشان داد كه تئوري انفجار بزرگ ممكن است درست باشد.
فراواني ذرات سبك هيدرژن ، هليم و ليتيم : تئوري انفجار بزرگ پيش بيني مي كند كه اين ذرات سبك احتمالا چند دقيقه بعد از انفجار بزرگ از پروتون ها و نوترون هاي با هم تركيب شده بوجود آمدند.
تششعات زمينه ريزموج كيهاني (CMB) : جهان اوليه بايستي بسيار گرم مي بود.تششعات زمينه ريزموج كيهاني بازمانده گرماي انفجار بزرگ است.
اين سه اثر قابل محاسبه به طور قوي تصور اين كه جهانمان از يك ماده چگال با ماده گازي گرم بخصوص بعد از پيش بيني مدل انفجار بزرگ بيرون آمده است
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html)
* آزمايش انفجار بزرگ : انبساط
- ادوين هابل:
مدل انفجار بزرگ همانطور كه براي جهان همگن اجرا شد يك نتيجه طبيعي از نسبيت عام انيشتين بود.هر چند در سال 1917 اين نظريه كه جهان در حال انبساط است بي معنا شناخته شد.بنابراين انيشتين ثابت كيهان شناسي را به عنوان اصطلاحي در تئوري نسبيت عام خود براي جهان ايستا اختراع كرد. در سال 1929 ادوين هابل اعلام كرد كه مشاهداتش در موردكهكشان هاي خارج كهكشان راه شيري نشان داد كه آنها با سرعت متناسب با فاصله شان از ما دور مي شوند. هر چه كهكشان دورتر باشد با سرعت بيشتري از ما دور مي شود. سر انجام ، جهان در حال انبساط است ، همان گونه كه نسبيت عام به طور اصلي پيش بيني كرد! هابل مشاهده كرد كه نور يك كهكشان معلوم هر چه كهكشان دورتر از كهكشان ما باشد در طيف رنگ به سمت قرمز ميل مي كند .
[/URL]
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990044s.gif
- ثابت هابل:
شكل علمي قانون انبساط هابل مهم است: سرعت پس رفت متناسب با فاصله است. مدل كيك كشمشي انبساط شونده در سمت چپ توضيح مي دهد كه چرا مهم است. اگر تمام جهات كيكي در مدتي معين از زمان انبساط يابد ، كشكش ها دقيقا مانند قانون انبساط هابل از يكديگر فاصله مي گيرند.
در مدتي معين از زمان ، يك كشكش نزديك تر به طور نسبي كمتر از يك كشمش دورتر جا به جا مي شود – و اين رفتار توسط تمام تمام كشمش هاي كيك ديده مي شود. به بيان ديگر، قانون هابل همان چيزي است كه هر كس از جهان همگن انتظار دارد ، همان طوري كه تئوري انفجار بزرگ پيش بيني كرد. از اين گذشته هيچ كشمشي ، يا كهكشاني نمي تواند جاي خاصي را در جهان اشغال كند –مگر اين كه به لبه كيك بسيار نزديك شود كه در آنجا توافق مي شكند.
نتيجه WMAP اخير نشان مي دهد كه ثابت هابل 73.5 +/-3.2 (km/sec)/Mpc است. اگر اطلاعات WMAP با ساير اطلاعات كيهان شناسي مخلوط شود ، مناسبترين تقريب 70.8 +/- 1.6 (km/sec)/Mpc است. (http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990044s.gif)
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990404s.gif
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_ele.html (http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990404b.gif)
* آزمايش هاي انفجار بزرگ: ذرات ماده
- تبديلات هسته اي در جهان ابتدائي:
واژه Nucleosynthesis به تبديلات ذرات سنگين تر اختصاص دارد ، هسته هاي اتم كه داراي نوترون و پروتون هستند باعث تركيب ذرات سبك تر مي شوند. تئوري انفجار بزرگ پيش بيني مي كند كه جهان ابتدائي مكاني گرم بود. يك ثانيه بعد از انفجار بزرگ ، دماي جهان به طور ناهنجار 10 بيليون درجه و پراز نوترون ، پروتون ، الكترون ، آنتي-الكترون (پوزيترون) ، فوتون و نوتريون بود. زماني كه جهان سرد شد ، نوترون در پي شكل دادن پروتون و الكترون محو شد يا با پروتون تركيب شد تا دوتريم ( يكي از ايزوتوپ هاي هيدرژن) را بسازد. در مدت سه دقيقه اول جهان ، اكثر دوتريوم ها با هم تركيب شدند تا هليم را شكل دهند. مقدار كمي ليتيم نيز در اين زمان توليد شد. اين فرآيند يعني تشكيل مواد سبك در جهان ابتدائي ، تبديلات هسته اي انفجار بزرگ(BBN) ناميده شد.
فراواني دوتريم ، هليم و ليتيم پيش بيني شده در جهان ابتدائي طبق شكل سمت چپ ، به تراكم مواد معمولي بستگي داشت. اين نتايج نشان ميدهد كه محصول هيلوم به طور نسبي به فراواني مواد معمولي غير حساس است ، بالاي حد معين. ما به طور كلي معتقديم كه 24% مواد معمولي در جهان ، هليم توليد شده در انفجار بزرگ است. اين توافق بسيار خوبي با مشاهدات و پيروزي بزرگ ديگري براي تئوري انفجار بزرگ است.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990403s.jpg
هر چند مدل انفجار بزرگ مي تواند بيشتر آزمايش شود . براي مواد سبك ديگر كه با مشاهدات توافق داشته باشد ، چگالي سراسر مواد معمولي بايد به طور ناهمواري 4% چگالي بحراني باشد. ماهواره WMAP بايد قادر باشد چگالي مواد معمولي را محاسبه كند و مقادير محاسبه شده را با تبديلات هسته اي پيش بيني شده انفجار بزرگ مقايسه كند. اين يكي از راه هاي دقيق و مهم براي آزمايش اين مدل است. اگر نتايج با هم همخواني داشتند ، اين شاهد ديگري براي اثبات تئوري انفجار بزرگ بود. اگر نتايج با يكديگر ناسازگار بودند ، به اين موارد اشاره دارد : 1- اشتباه در داده ها 2- درك ناكامل فرآيند تبديلات هسته اي 3- درك نادرست مكانيزمي كه نوسانات را در تششعات ريزموج توليد ميكند يا 4- مشكل بنيادي با تئوري انفجار بزرگ.
- تبديلات هسته اي در ستارگان :
ذرات سنگين تر از ليتيم در ستارگان تبديل مي شوند. در اواخر مراحل تكامل ستاره اي ، ستارگان پر جرم هليم را مي سوزاندند تا به كربن ، اكسيژن ، سيليكون ، گوگرد و آهن تبديل مي كردند. ذرات سنگين تر از آهن به دو شيوه توليد مي شدند: در پوشش بيروني ستارگان فوق سنگين و در انفجار ابر نواخترها . تمام زندگي كربني بر روي زمين به طور دقيق از غبارهاي ستارگان تشكيل شده است.
منبع: [URL="http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html"]http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html (http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990403b.jpg)
* آزمايش انفجار بزرگ: CMB
تئوري انفجار بزرگ پيش بيني ميكند كه جهان ابتدائي مكاني گرم بود و همان طور كه انبساط مي يافت گاز درون آن سرد مي شد. به اين ترتيب جهان بايد با تششعاتي پر شود كه به طور دقيق بازمانده گرماي انفجار بزرگ است و تششع زمينه ريزموج كيهان يا CMB ناميده مي شود.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990045s.jpg
- اكتشاف تششع زمينه ريزموج كيهاني:
وجود تششع CMB اولين بار توسط جرج گامو در سال 1948 و رلف آلفر و رابرت هرمن در سال 1950پيش بيني شد . و اولين بار به طور اتفاقي در سال 1965 توسط آرنو پنيز و رابرت ويلسون در آزمايشگاه تلفن بل در ماري هيل نيوجرسي مشاهده شد.تششعات به عنوان يك منبع اضافي اختلال در دريافت كننده راديوئي كه ساخته بودند عمل مي كرد. به طور همزمان ، تحقيقات انجام شده در دانشگاه پرينستون توسط رابرت ديك و ديو ويلكينسون از اعضاي تيم علمي WMAP را به سمت اختراع CMB سوق داد. هنگامي كه نتيجه ي آزمايش انجام شده در آزمايشگاه بل را شنيدند ، به سرعت متوجه شدند كه CMB كشف شد. نتيجه در نشيه هاي فيزيك در دو برگه بود: اول توسط ويلسون و پنزياس شامل جزئيات مشاهدات و ديگري توسط ديك، پيبلس ، رول و ويكينسون شامل تفسير كيهان شناسي. پنزياس و ويلسون مشتركا جايزه نوبل سال 1978 فيزيك را براي اين اكتشافشان برنده شدند.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990004s.jpg
امروزه ، تششعات CMB سرد شدند، تنها 2.725 درجه بالاتر از صفر مطلق . اين تششعات به طور عمده در قسمت طيف الكترومغناطيس مي درخشد و با چشم غير مسلح رويت نمي شود. هر چند ، جهان را پر مي كند و مي توان آن را در هر جايي تشخيص داد. در واقع اگر ما مي توانستيم ريزموج ها را ببنيم ، سراسر آسمان با درخشندگي يكسان گيج كننده اي در تمام جهات تابش مي كرد. تصوير سمت چپ ، يك نمايش رنگ اشتباه از دما(روشنايي) CMB در آسمان را نشان مي دهد( اجرا شده روي بيضي ، متشابه نقشه زمين ). دما يكنواخت است به جاي اينكه يك در هزار باشد! اين يكنواختي تنها دليل اجباري تصور اين كه گرما بازمانده انفجار بزرگ است ، هست. تصور يك منبع تششع كه اينچنين يكنواخت باشد بسيار دشوار است. در واقع ، دانشمندان سعي كردند تفاسير ديگري براي منبع اين تششعات به كار گيرند اما هيچ يك موفق نشدند.
- چرا مطالعه تششعات زير موج زمينه ي كيهاني؟ :
به دليل اين كه نور با سرعتي محدود حركت مي كند ، منجماني كه اشياي دور را رصد مي كنند به گذشته نگاه مي كنند. اكثر ستارگان قابل رؤيت در شب با چشم غير مسلح 10 تا 100 سال نوري از ما فاصله دارند. بنابراين ما آن ها را آن گونه كه 10 تا 100 سال پيش بودند مي بينيم. ما آندرومدا ، نزديك ترين كهكشان به ما ، را آنگونه كه 2.5 ميليون سال پيش بود ، ميبينيم. منجماني كه كهكشان هاي دور را توسط تلسكوپ فضايي هابل مشاهده مي كنند ، مي توانند آنها را همان گونه كه مانند تنها چند بيليون سال بعد از انفجار بزرگ مشاهده كنند. ( اكثر كيهان شناسان تصور مي كنند جهان 12 تا 14 بيليون سال عمر دارد.)
تششعات CMB تنها چند هزار سال بعد از انفجار بزرگ ، خيلي قبل از اين كه ستارگان و كهكشان ها وجود داشته باشند ، منتشر شدند. بنابراين با مطالعه جزئيات ويژگي هاي فيزيك تششعات ميتوانيم از وضعيت جهان در مقياسي بزرگ آگاهي يابيم ، از آن جا كه اين تششعات قابل رؤيت كنوني از مكاني دور و زمان هاي اوليه آمده اند .
- مبدا تششعات زمينه ي ريزموج كيهان:
يكي از مشاهدات ژرف قرن 20 اين بود كه جهان در حال انبساط است. اين انبساط بيان مي كند كه جهان در گذشته هاي دور كوچكتر ، چگال تر و گرم تر بود. هنگامي كه اندازه جهان مرئي نصف مقدار كنوني اش بود ، چگالي آن 8 برابر و دماي تششعات زمينه ي ريزموج كيهان 2 برابر مقدار كنوني بود. هنگامي كه اندازه جهان مرئي يك صدم اندازه ي كنوني اش بود ، دماي تششعات زمينه ي ريزموج كيهاني 100 برابر دماي كنوني اش (273 درجه بالاي صفر مطلق يا 32 درجه فارنهايت يعني دمايي كه آب در پوسته ي زمين به يخ تبديل مي شود) بود.علاوه بر تششعات زمينه ي ريزموج كيهان ، جهان مرئي ابتدائي از هيدرژن داغ با چگالي 1000 اتم در هر سانتي متر مربع پر شده بود. هنگامي كه جهان مرئي يك هزار ميليونيم اندازه كنوني اش را داشت ، دمايش 273 ميليون درجه بالاي دماي مطلق و چگالي موادش تقريبا با چگالي هواي پوسته ي زمين برابر بود. در اين دماهاي بالا هيدرژن بونيده شده و به پروتون و الكترون آزاد تبديل مي شود.
از آن جا كه جهان در ابتداي خلقتش بسيار گرم بود ، در آن زمان هيچ اتمي نبود و تنها الكترون و نوكلئون هاي ( شامل نوترون و پروتون ) آزاد وجود داشت. زمينه تششعات ريزموج پروتون كيهان ، به آساني از الكترون ها جدا مي شوند. بنابراين ، فوتون ها همانند نور مرئي ميان مه پر چگال از زمان جهان ابتدائي سرگردانند . اين فرآيند پراكندگي چندگانه آنچه كه " حرارتي" يا طيف فوتون هاي " جسم سياه" ناميده مي شود را توليد مي كند. بر اساس تئوري انفجار بزرگ ، فركانس طيف CMB بايد فرم جسم سياه را داشته باشد. اين مورد با صحت بزرگي توسط تجربه FIRAS در ماهواره NASA's COBE اندازه گيري شد.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990015s.jpg
اين شكل پيش بيني تئوري انفجار بزرگ را براي طيف انرژي تششعات زمينه ي ريزموج كيهان در مقايسه با طيف انرژي رصد شده نشان مي دهد. تجربه ي FIRAS 34 نقطه برابر فضايي را در امتداد منحني جسم سياه اندازه گيري مي كند. مي له هاي خطا در نقاط داده ها به اندازه اي كوچك هستند كه در زير منجني پيش بيني شده شكل ديده نمي شوند! تا كنون هيچ تئوري متناوبي كه طيف انرژي را پيش بيني كند ، وجود ندارد. اندازه گيري دقيق شكل آن يك آزمايش مهم ديگري در تئوري انفجار بزرگ است.
- سطح پراكندگي آخر:
سرانجام جهان به اندازه اي سرد شد كه پروتون ها و الكترون ها تركيب شده تا هيدرژن خنثي را شكل دهند. اين گمان وجود دارد كه اين اتفاق 400000 سال پس از انفجار بزرگ – زماني كه جهان يك يازده هزارم اندازه كنوني اش را داشت- رخ داد. فوتون هاي زمينه ريزموج كيهان به طور بسيار ضعيف با هيدرژن هاي خنثي فعل و انفعال داشتند.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/990053/990053s.jpg
- رفتار فوتون هاي CMB پروتون هاي پپپ
كه در جهان ابتدائي حركت ميكردند ، متشابه نور هاي مرئي است كه در اتمسفر زمين وجود دارند. قطره كوچك آب در ابر ها بر نور هاي پراكنده بسيار موثر است در حالي كه نور هاي مرئي به سادگي از ميان هواي صاف عبور مي كنند. بنابراين ، در يك روز ابري ، مي توانيم در ميان هوا روي ابر ها را ببينيم اما نمي توانيم از ميان ابر هاي كدر ببنيم. كيهان شناساني كه در مورد تتشعات زمينه ريزموج كيهان مطالعه مي كنند مي توانند گذشته ي جهان را زماني كه كدر بود ، ببينند : ديداري از 400000 سال پيش از انفجار بزرگ. اين " ديوار نور" از آن جايي كه اين آخرين باري است كه اكثر فوتون هاي CMB از ماده پراكنده مي شوند ، به نام رويه ي پراكندگي آخر شناخته مي شود.هنگامي كه نقشه اي از دماي CMB تهيه مي كنيم ، در حال نقشه برداري از رويه ي پراكندگي آخر هستيم.
همان گونه كه در بالا نشان داده شده ، يكي از ويژگي هاي بسيار برجسته ريزموج هاي زمينه كيهان متحد الشكل بودن آن هاست. تنها با دستگاه هاي بسيار حساس ، مانند COBE و WMAP كيهان شناسان مي توانند بي ثباتي دماي ريزموج هاي زمينه كيهان را درك كنند. با مطالعه اين بي ثباتي ها ، كيهان شناسان مي توانند در مورد مبداء كهكشان ها و ساختار بزرگ مقياس كهكشان ها بياموزند و مي توانند پارامتر هاي اساسي انفجار بزرگ را محاسبه كنند.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo.html)
* فراسوي كيهان شناسي انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ تكميل نشده است. براي مثال ، توضيح نداده است كه چرا جهان در مقياس بسيار بزرگ اين چنين متحدالشكل است ، يا در واقع چرا در مقياس كوچكتر چرا متحد الشكل نيست. بنابراين چگونه كهكشان ها و ستارگان شكل گرفتند.
مدل انفجار بزرگ بر اساس قوانين كيهان شناسي است كه فرض ميكند ماده در جهان به طور متحدالشكل در تمام مقياس ها- چه بزرگ و چه كوچك- پخش شده است.اين تقريب بسيار كارآمدي است كه اجازه ايجاد سناريوي انفجار بزرگ را مي دهد ، اما درك كامل تري از جهانمان نياز به فراتر رفتن از قوانين كيهان شناسي دارد. بسياري از كيهان شناسان گمان مي كنند تئوري تورم ، انبساط تئوري انفجار بزرگ، امكان دارد چهارچوبي براي توضيح متحدالشكل بودن جهانمان در مقياس بزرگ و اصل ساخت درون آن فراهم كند.
- ساختار درون جهان:
تئوري انفجار بزرگ كوششي براي توضيح چگونگي شكل گيري ستارگان و كهكشان هاي جهان نمي كند
- نوسانات تششعات زمينه ريزموج كيهان:
دماي CMB در سراسر آسمان تغيير اندكي دارد. چه چيزي موجب اين نوسانات مي شود و چگونه به ستارگان و كهكشان ها ارتباط دارد؟
- تورم جهان:
يك رشد متوالي كوتاه و به خصوص سريع در جهان بسيار ابتدائي ( تورم) ، انبساط زيباي و آزمايش شده پازل هاي بالا را فراهم مي كند.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_struct.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_struct.html)
* چگونه ساختار در اين جهان شكل گرفت؟
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/GalaxyIcon.jpg
منجمان ساختار هاي مهمي از ستارگان تا كهكشان ها تا خوشه ها و ابر خوشه هاي كهكشان ها را در جهان مشاهده كردند . " تصوير پرعمق " مشهور كه توسط تلسكوپ فضايي هابل گرفته شده است و در زير آمده است يك ديد حيرت انگير از چنين ساختاري را نمايش مي دهد. چگونه اين ساختار شكل گرفت؟اين گمان مي رفت كه تئوري انفجار بزرگ يكي از تئوري هاي موفق كيهان شناسي باشد اما اين تئوري ناكامل است. اين نظريه نمي تواند نوسانات مورد نياز را براي تهيه ساختاري كه ميبينيم را شرح دهد. اكثر كيهان شناسان بر اين باورند كه كهكشان هايي كه امروزه رصد ميكنيم از كشش گرانشي نوسانات تقريبا هم چگالي كوچك جهان ابتدائي شكل گرفت. اين نوسانات يك نشانه اي در تششعات زمينه ريزموج كيهان به عنوان نوسانات دمائي در جاي جاي پهنه آسمان به جاي مي گذارد. ماهواره WMAP اين نوسانات كوچك دمائي تششعات زمينه ريزموج كيهان را اندازه گرفت و در واقع مراحل ابتدائي شكل گيري ساختار را كاوش كرد.
تصوير پر عمق تلسكوپ فضايي هابل:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/PRC96-01a_hubble/HDFWF3_s.gif
در ساده ترين شكل ، تئوري انفجار بزرگ فرض را بر اين دارد كه ماده و تششعات در جهان به طور يكسان پخش شده اند و نسبيت عام به طور جهاني معتبر است. همان گونه كه اين مي تواند وجود تششعات زمينه ريزموج كيهان را نقل كند و سرچشمه ذرات سبك را توضيح دهد ، نمي تواند وجود كهكشان ها و ساختار هاي بزرگ مقياس را توضيح دهد. راه حل اين مشكل ساختاري بايد بر پايه ي نظريه ي انفجار بزرگ بنا شود.
- شكل گيري جاذبه اي ساختار:
اغلب كيهان شناسان بر اين باورند كه كهكشان هايي كه امروزه مشاهده مي كنيم با تاثيرات گرانشي كه از نوسانات كوچك در چگالي جهان ناشي شده است و به واسطه ي رشته حوادث زير ، به وجود آمده اند :
· هنگامي كه جهان يك هزارم اندازه كنوني اش بود ( تقريبا 500000 سال بعد از انفجار بزرگ) مگالي ماده اي كه اكنون راه شيري ، كهكشان خانه ي ما ، را شكل داده احتمالا 0.5 % بيشتر از مكان هاي مجاور بود. به خاطر اين كه چگالي بالاتر بود ، مكان فضا خيلي كمتر از مكان هاي احاطه كننده منبسط مي شد.
· به دليل اين انبساط كوچك ، چگالي بالائي نسبي آن رشد ميكند. هنگامي كه اندازه جهان يك صدم اندازه كنوني اش ( تقريبا 15 ميليون سال بعد از انفجار بزرگ ) مكان فضاي ما احتمالا 5% چگال تر از مكان هاي احاطه كننده بود.
· همان گونه كه جهان انبساط مي يافت يك رشد آهسته ادامه داشت. هنگامي كه جهان يك پنجم اندازه كنوني اش (1.2 بيليون سال پس از انفجار بزرگ) بود ، مكان فضاي ما 2 برابر چگال تر از مكان هاي احاطه كننده آن بود. كيهان شناسان به اين نتيجه فكر كردند كه بخش داخلي كهكشان ما( يا كهكشان هاي مشابه) در اين زمان گرد آمدند. ستارگان اطراف فضاي كهكشان ما احتمالا در زمان هاي جديد تر گرد آمدند. برخي از كيهان شناسان بر اين گمانند كه برخي از اشيايي كه به تازگي توسط تلسكوپ فضايي هابل كشف شده است احتمالا كهكشان هاي در حال شكل گيري هستند.
+ تصاوير تلسكوپ فضايي هابل از كهكشان هاي در حال شكل گيري
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/GalaxEvC.jpg
- مشاهده نوسانات كوچك:
تغييرات ريز چگالي مواد در جهان ابتدائي يك نشانه در تششعات زمينه ريزموج كيهان به شكل نوسانات دمايي در جاي جاي آسمان به جاي مي گذارد. اين نوسانات دمايي جزئي است: يك نقطه آسمان ممكن است دماي 2.7251 كلوين( دماي بالاتر از صفر مطلق) داشته باشد و گوشه ي ديگر آن دماي 2.7249 . ماهواره كاوش گر زمينه كيهان ناسا (COBE) اين نوسانات كوچك را در مقياس هاي زاويه اي بزرگتر كشف كرد.WMAP بار ديگر اين نوسانات را با وضوح زاوبه اي و حساسيت بالاتر اندازه گرفت .
چه چيزي باعث اين نوسانات كوچك شد؟
در حالي كه جاذبه ميتواند نوسانات ريزي كه در جهان ابتدائي مشاهده مي شود را بهتر كند ، نمي تواند اين نوسانات را توليد كند. كيهان شناسان در مورد فيزيك جديد كه كمكي براي توليد نوسانات اصلي بودكه كهكشان ها را توليد مي كنند ، مي انديشند.دو انديشه عمومي اين است:
· تورم
· كاستي مكان شناسي
اين تئوري هاي مختلف حدسيات بسيار متفاوتي را در مورد ويژگي هاي تششعات زمينه ريزموج كيهان بدست مي دهد. براي مثال ، تئوري تورم پيش بيني مي كند كه بيشترين نوسان دمايي بايد مقياس زاويه اي يك درجه داشته باشد ، در حالي كه مدل كاستي يك مقياس ويژه كوچكتري را پيش بيني مي كند. WMAP با حساسيت عالي اش نشان ميدهد كه مدل تورم بيشتر محتمل است.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_fluct.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_fluct.html)
* نوسانات در زمينه ريزموج كيهان شناسي:
زمينه ريزموج كيهان شناسي يك پس تاب بازمانده از انفجار بزرگ گرم است. دماي آن در سراسر آسمان يكسان است. هر چند ، تغيير دماي كوچك يا نوسان ( يك در ميليون قسمت) مي تواند بينش بزرگي را براي سرچشمه ، تكامل و حجم جهان عرضه دارد.
اگر شما در يك سفينه فضايي در حال نزديك شدن به زمين باشيد ، اولين چيزي كه درك مي كنيد اين است كه سياره كروي شكل است. در حالي كه به زمين نزديك تر مي شويد ، مي توانيد ببينيد كه پوسته به دو بخش قاره ها و اقيانوس ها تقسيم شده است. بايد با دقت بسيار به زمين نگاه كنيد تا كوه ها ، شهر ها ، جنگل ها و كوير ها يي كه قاره ها را پوشانده است ،مشاهده كنيد .
به طور مشابه ، هنگامي كه براي اولين بار 30 سال پيش كيهان شناسان به آسمان ريزموج ها نگاه كردند ، به اين نتيجه رسيدند كه آن ها متحدالشكل هستند. در حالي كه مشاهدات پيشرفت مي كرد ، دوقطبي هاي بدون خواص فيزيكي مشابه را كشف كردند. سرانجام در سال 1992 ماهواره كاوش گر زمينه كيهان (COBE) اولين شبه كشف خود را براي ديدين " كوه هاي پوسته زمين" انجام داد : او نوسانات كيهان شناسي را در دماي ريزموج هاي زمينه تشخيص داد. بسياري از اعضاي تيم علمي WMAP براي هدايت برنامه COBE و ساخت فضاپيما كمك كردند. اكتشاف COBE توسط آزمايش نقشه برداري مادون قرمز از راه دور (FIRS) حمل شده در بالن تائيد شد.
++ مقايسه ي تصاوير آسمان COBE و WMAP:
* نوسانات ديده شده توسط WMAP
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/map_model_0_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/map_model_1_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/map_model_2_s.gif
* نوسانات ديده شده توسط COBE
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/dmr_0_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/dmr_1_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/dmr_2_s.gif
به خاطر داشته باشيد كه WMAP ويژگي هاي بهتري را نسبت بهآنچه در نقشه هاي آسمان COBE قابل روئيت است ، نمايان مي كند. اين وضوح زاويه اي اضافه به دانشمندان اجازه ميدهد فراسوي آنچه COBE تهيه ميكند مقدار خوبي از اطلاعات اضافه را در مورد وضعيت جهان در زمان ابتدائي حدس بزنند.
اين جهت يابي به گونه اي است كه سطح راه شيري در مركز هر تصوير قرار دارد. جفت اعداد بالايي دماي آسمان ريزموج را در مقياسي نشان مي دهد كه آبي به معناي صفر كلوين ( صفر مطلق ) و قرمز به معناي 4 كلوين است. به خاطر داشته باشيد كه دما در اين مقياس يكسان ظاهر مي گردد. دماي واقعي زمينه ريزموج كيهان 2.725 كلوين است. جفت عكس وسط نقشه يكساني را در مقياسي نشان مي دهد كه آبي به معناي 2.721كلوين و قرمز به معناي 2.729 كلوين است.الگوي " يينگ يانگ " دوقطبي هاي بدون خواص فيزيكي مشابه اند كه از حركت خورشيد نسبت به چهارچوب هاي ديگر زمينه ريزموج كيهان نتيجه مي شود. جفت عدد پاييني آسمان ريزموج را بعد از برداشتن دوقطبي هاي بدون خواص فيزيكي مشابه نشان مي دهد. اين كاهش بسياري از نوسانات را كاهش مي دهد.: آنچه باقي ميماند سي مرتبه كوچكتر است. در اين نقشه ، مكان هاي گرم كه با قرمز نشان داده شده اند 0.0002 كلوين گرم تر از مكان هاي سردي هستند كه با رنگ آبي مشخص شده اند.
دو منبع اصلي براي نوسانات مشاهده شده در اعداد قبلي وجود دارد:
· انتشارات راه شيري در استواي نقشه شديد است اما مقدار كوچكي از استوا دور است.
· انتشار نوسانات از لبه هاي قابل رؤيت جهان در مناطق خارج از استوا شديد است.
· در اين نقشه اختلال بازمانده از خود ابزار ها نيز وجود دارد اما اين اختلالات در مقايسه با سيگنال هاي اين نقشه ها بسيار كوچك اند.
اين باور وجود دارد كه اين نوسانات دمايي ريزموج كيهاني همان گونه كه مدت كوتاهي بعد از انفجار بزرگ توليد شدند ، يك رد پاي نوساني در چگالي ماده در جهان ابتدايي بر جاي گذاشتند. همان گونه كه گذشت ، آن ها مقداري از جهان ابتدائي و سرچشمه كهكشان ها و ساختار هاي بزرگ مقياس جهان را آشكار كردند .
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html)
* تئوري تورم چيست؟
تئوري تورم بر دوره هاي بسيار سريع ( تشريحي ) انبساط جهان در لحظات ابتدايي اش پايه ريزي شد. اين تئوري در سال 1980 براي توضيح معماهاي تئوري استاندارد انفجار بزرگ – كه جهان به طور نسبتا آهسته اي در طول تاريخش منبسط مي شود - مطرح شد .
- محدوديت هاي تئوري انفجار بزرگ:
در حالي كه تئوري انفجار بزرگ به طور موفق طيف جسم سياه تششعات زمينه ريزموج كيهان و سرچشمه اجسام سبك را توضيح مي دهد ، سه ايراد مهم دارد:
· مشكل تخت: WMAP تعيين كرد كه جهان تقريبا تخت است. هرچنر ، كيهان شناسي انفجار بزرگ به طور خميده با زمان رشد كرد. جهاني با اين مسطحي كه ما امروزه مشاهده مي كنيم به يك وضعيت بسيار خوب موافق در گذشته نياز دارد كه مي تواند يك انطباق باورنكردني باشد.
· مشكل افق: نقاط دور فضا در جهات مخالف آسمان آن چنان دور از هم هستند كه با در نظر گرفتن انبساط انفجار بزرگ استاندارد ، نمي توانند هيچ گاه در تماس سببي با يكديگر باشند. اين به اين دليل است كه زمان حركت نور بين آنها به اندازه عمر جهان خواهد بود. در عين حال يكسان بودن دماي زمينه ريزموج هاي كيهان به ما مي گويد كه اين مكان ها در گذشته با يكديگر در تماس بودند.
· مشكل تك قطبي: كيهان شناسي انفجار بزرگ مي گويد كه در جهان ابتدائي مقدار بسيار زيادي تك قطبي هاي مغناطيسي پابدار و سنگين بوجود آمدند. هر چنر تك قطبي هاي مغناطيسي هيچ گاه مشاهده نشدند بنابراين اگر هرگاه آن ها وجود مي داشتند ، بسيار كمتر از آن چه تئوري انفجار بزرگ پيش بيني كرده بود ، مي بودند.
- تئوري تورم:
تئوري تورم كه توسط آلن گوس ، آندره ليند ، پول ستينهارت و اندي آلبرتچ ارائه شد ، راه حل هايي به اين سوالات و پرسش هاي بازي در كيهان شناسي مطرح مي كند. اين تئوري دوره ي زماني از تورم بسيار سريع جهان را در نظر ميگيرد كه نشان دهنده ي تقدم آن نسبت به تورم خيلي معمولتر انفجار بزرگ همزمان با وقتي كه چگالي انرژي جهان – مدلي از انرژي خلاء كه بعد ها براي توليد ماده و تششعاتي كه جهان كنوني را پركند ، نابود شد- برابر ثابت كيهان شناسي باشد ، هست.
تورم هم سريع و هم قوي بود. تورم اندازه طولي جهان را تا بيش 60 e-foldings (مقدار انبساط جهان به وسيله عددي تعريف ميشه كه خود اون عدد نيز به صورت تابعي در حال تغييراست. اين عدد معمولا بين 50 تا 70 تغيير مي كند و تغيير آن به متوسط سازي COBE بستگي دارد.
به اين عدد عدد e-foldings گويند.) يا ضريبي از 10 به توان 26 (10^26 ) در كسري از ثانيه توسعه داد ! از آن جايي كه تئوري تورم اشكالات بالا را به خوبي برطرف كرد امروزه به عنوان گسترش دهنده تئوري انفجار بزرگ در نظر گرفته مي شود در حالي كه نمونه اصلي مشابه جهان منبسط شونده حفظ مي شود. به علاوه تئوري تورم به ايده هاي مهمي مانند شكاف تقارن و فاز گذار در فيزيك مدرن را به كيهان شناسي ارتباط مي دهد.
- تورم چگونه اين مشكلات را رفع مي كند؟
· مشكل تخت : تصور كنيد روي سطح يك توپ فوتبال زندگي مي كنيد ( جهان 2 بعدي ) . بايد براي شما واضح باشد كه سطحي كه روي آن زندگي مي كنيد منحني و جهاني بسته است. هرچند ، اگر آن توپ در حد كره زمين توسعه يابد ، مي تواند براي شما تخت به نظر آيد با اين وجود در مقياس بزرگ تر يك كره است. اكنون تصور كنيد كه اندازه آن توپ تا مقياس هاي نجومي رشد كند . براي شما تا آن جا كه ميبينيد اين سطح تخت به نظر مي آيد هر چند كه در آغاز اين سطح يك منحني بود. تورم هر انحناي آغازين جهان 3 بعدي را نزديك به تخت در نظر مي گيرد.
· مشكل افق : از آن جا كه تئوري تورم يك انبساط تشريحي متوالي را در جهان ابتدائي در نظر گرفت ، به اين استنباط رسيد كه نواحي دور در واقع قبل از تورم به يكديگر نزديك تر از آنچه قرار بود با انبساط انفجار بزرگ استاندارد باشند ، بودند . بنابراين ، اين نواحي قيل از تورم در تماس سببي بودند و مي توانستند دماي يكساني داشته باشند.
· مشكل تك قطبي: تورم به تك قطبي هاي مغناطيسي كه تا قبل از دوره تورم بوجود آمدند ، امكان حضور مي دهد. در طي تورم ، چگالي تك قطبي ها به طور تشريحي افت كرد بنابراين فراواني آن ها به مراتب غير قابل كشف افت كرد.
به علاوه ، تورم سرچشمه ساختار جهان را نيز توضيح داد. قبل از تورم ، سهم جهاني كه امروزه ميبينيم در حد ميكروسكوپي بود و نوسانات كووانتومي چگيلي مواد در اين مقياس هاي كووانتومي به مقياس هاي نجومي رشد كرد . در طي چند هزار ميليون سال بعد نواحي پر چگال تر متراكم شدند و ستاره ها ، كهكشان ها و خوشه هاي كهكشاني را بوجود آوردند.
مدل انفجار بزرگ نظريه اي است كه به طور گسترده براي پيدايش و تكامل جهان مورد قبول است. اين نظريه ادعا دارد كه 12 تا 14 بيليون سال پيش تمام جهاني كه امروز مي بينيم تنها در ميان چند ميليمتر بود.بعد ها اين منظقه با چگال با دماي بالا در اثر انبساط به كيهان بسيار خنك تر همان طور كه ما در آن زندگي مي كنيم تبديل شد.ما اكنون مي توانيم بقاياي اين ماده چگال با دماي بالا را با كيهاني سرد همراه تششعات ريز موجي كه هنوز هم در جهان پخش است و براي ردياب ريزموج ها مانند تابشي يكنواخت در سراسر پهنه آسمان است ، ببنيم.
- چگونگي پيدايش مدل انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ بر دو ستون نظريه اي استوار است:
1) نسبيت عام:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/einst_8s.jpg
اولين ايده ها در سال 1916 آغاز شد ، زماني كه انيشتين نظريه ي نسبيت عام خود را كه نظريه اي جديد براي گرانش در نظر گرفته شده بود ، انتشار داد.نظريه ي او نظريه ي اصلي ايزاك نيوتون در سال 1680 در مورد گرانش – كه براي اجسام ساكن و در حال حركت يكسان بود- را تعميم مي داد. جاذبه نيوتوني تنها براي اجسام ساكن يا اجسام با سرعت كم در مقايسه با سرعت نور (نه آن قدرها محدود!) صحيح است.يك ايده بر اين تصور است كه نسبيت عام نوعي جاذبه است كه ديگر به عنوان ميدان گرانشي شرح داده نمي شود بلكه انحنايي در خود فضا و زمان شناخته مي شود. جان ويلر ، فيزيك دان ، آن را تمام و كمال وصف كرد: " ماده به فضا مي گويد چگونه انحنا يابد و قضا به ماده مي گويد چگونه حركت كند ." در واقع ، اين نظريه قادر به بيان علت حالت عجيب در مدار عطارد و خم كردن نور توسط خورشيد كه در تئوري گرانشي آيزاك نيوتون شرح داده نشده بود ، بود. در قرن اخير اين تئوري آزمايش هاي سختي را پشت سر گذاشت.
2) قانون كيهان شناسي:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990047s.jpg
بعد از معرفي نسبيت عام چند تن از دانشمندان از جمله انيشتين سعي در اجراي مكانيك گرانشي جديدي بر تمام جهان كردند. در آن زمان نياز به فرضي در مورد چگونگي توزيع جهان بود. ساده ترين فرضي كه ميتوانست داشت اين بود كه اگر شما با ديدي به قدر كافي ضعيف به دنيا نگاه كنيد تمام قسمت هاي آن و در تمام جهات به طور ناهموار يكسان به نظر مي آيند. پس مواد جهان اگر در يك مقياس بزرگ قرار گيرند ، مشابه و داراي خواص فيزيكي يكسان هستند. به اين قانون كيهان شناسي گويند. اين فرض به طور مداوم در حال آزمايش است همان طور كه ما توزيع جهان را در مقياس بزرگ مشاهده مي كنيم. اين عكس نشان مي دهد كه چگونه توزيع كهكشان هاي شمرده شده در نوار 30 درجه ي آسمان يكسان است. به علاوه تششعات زمينه ريزموج كيهاني ، بازمانده گرماي انفجار بزرگ ، دمايي يكسان در سراسر آسمان دارند. اين واقعيت ، تصور اين كه گاز خارج شده از تششعات مدتها پيش به طور يكسان توزيع شده را تاييد كرد.
اين دو ايده تمام پايه هاي تئوري هاي كيهان شناسي انفجار بزرگ را شكل داد و به سمت پيش بيني هاي خيلي علمي براي ويژگي هاي قابل مشاهده تمام جهان هدايت كرد.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_concepts.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_concepts.html)
* اساس كيهان شناسي انفجار بزرگ:
اساس كيهان شناسي انفجار بزرگ به ده ايده ي كليدي در اوايل قرن 20 برمي گردد : نسبيت عام و قوانين كيهان شناسي . با فرض اين كه ماده در جهان در مقياس بزرگ به طور يكسان توزيع شده است مي توان با استفاده از نسبيت عام اثر گرانشي متناظر با ماده را محاسبه كرد. از آنجاكه جاذبه ويژگي فضا-زمان در نسبيت عام است اين با محاسبه حركت شناسي خود فضا-زمان معادل است. داستان به صورت زير آشكار شد:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990006s.jpg
با دادن اين فرضيه كه مواد جهان همگن و داراي خواص فيزيك متشابه است ( قانون كيهان شناسي) مي توان نشان داد كه انحراف متناسب فضا-زمان ( كه به اثر گرانشي ماده بستگي دارد ) مي تواند تنها سه شكل– همان طور كه به طور قياسي در شكل آورده شده-. داشته باشد . مي تواند مانند سطح يك توپ به طور مثبت خم شود و سطحش محدود باشد ، مي تواند مانند يك زين به طور منفي خم شود و سطحش نامحدود باشد يا مي تواند صاف باشد و سطح نامحدود داشته باشد – مانند تصور معمولي فضا. يك محدوديت كليدي در تصاوير نشان داده شده وجود دارد كه تنها مي توان انحناي 2-بعدي را براي انحناي 3-يعدي حقيقي تصاوير تصور كرد! به ياد داشته باشيد كه اگر در فضاي بسته يك سفر را در يك جهت آغاز كرده و زمان اجازه دهد ، سرانجام به نقطه شروع خود بازميگرديد در حالي كه در جهان نامحدود شما هيچ گاه بازنمي گرديد.
قبل از اين كه توضيح دهيم كدام تصوير جهان ما را توصيف مي كند ( اگر بكند ) بايد مقداري توضيح داده شود:
· به دليل عمد محدود جهان ( حدود 13.7 بيليون سال) تنها مي توانيم مسافتي محدود را در فضا مشاهده كنيم : حدود 13.7 بيليون سال نوري. اين افق رويداد ماست.مدل انفجار بزرگ تلاشي براي توصيف ناحيه ي خارج از افق رويداد نميكند. فضا-زمان ميتواند در آنجا كاملا متفاوت باشد.
· اين امكان دارد كه جهان از آن جا كه هنوز همان انحناي محلي را دارد، توپولوژي جهاني پيچيده تري در مقايسه با آنچه در اينجاتصور مي شود ، داشته باشد. براي مثال ميتواند شكل يك ماهيچه (دنات= نان شيريني گرد و حلقه مانند ) را داشته باشد. ميتواند راه حل هايي براي آزمايش اين ايده باشد اما اكثر مباحث دنبال شده ساده هستند.
ماده نقش مهمي را در كيهان شناسي بازي مي كند . ماده به اين نتيجه ميرسد كه چگالي متوسط ماده به طور يكتا هندسه جهان را ( بر اساس حدود درج شده در بالا ) تعيين مي كند. اگر چگالي ماده كمتر از چگالي بحراني باشد ، جهان نامحدود و باز است. اگر چگالي بيشتر از چگالي بحراني باشد جهان بسته و محدود است. اگر چگالي برابر چگالي بحراني باشد ، جهان تخت است اما احتمالا هنوز نامحدود است. مقدار چگالي بحراني بسيار كوچك است : مقدار آن برابر 6 اتم هيدرژن ناهموار در متر مكعب است ، يك خلاء خوب متحير كننده در استاندارد هاي زميني! يكي از سوالات كليدي علمي در كيهان شناسي كنوني اين است كه : چگالي متوسط مواد جهان ما چقدر است؟ هرچند پاسخي تا اكنون براي اين سوال داده نشده است اما به نظر مي رسد كه پاسخ به طور آزار دهنده اي به چگالي بحراني ارتباط دارد.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/990350/990350s.jpg
با دادن يك قانون در مورد جاذبه و يك فرض در مورد اين كه ماده چگونه توزيع شده است ، قدم بعدي حل كردن حركت شناسي جهان است-چگونه فضا و ماده درون آن با زمان نمو دارند؟ جزئيات بستگي به اطلاعات بيشتر در مورد ماده در جهان دارد ، براي مثال چگالي ( جرم واحد حجم) و فشار ( نيروي واحد سطح) آن. ، اما تصاوير كلي پديدار شده نشان مي دهد كه جهان از يك حجم كوچك پديد آمده است و حادثه بعدي انفجار بزرگ با سرعت آغازي انبساط بود . براي اكثر قسمت ها اين سرعت انبساط به خاطر كشش گرانشي هر ماده بر خودش كاهش يافته است . يك سوال كليدي براي سرانجام جهان اين است كه آيا كشش جاذبه به آن اندازه كافي است كه سرانجام انبساط را وارون كند و سبب متلاشي شدن جهان به درون خود شود؟ . در واقع مشاهدات اخير احتمال آن را مي دهد كه سرعت انبساط جهان در حال افزايش است و باعث افزايش احتمال اين مي شودكه تكامل جهان اكنون توسط ماده اي خيالي كه فشاري منفي دارد كنترل مي شود .
تصوير بالا سناريو هاي قابل قبول براي اندازه هاي نسبي جهان در برابر زمان را نشان مي دهد: انحناي پاييني (سبز) نشان دهنده تخت است ، جهان با چگالي بحراني كه سرعت انبساط در آن در حال كاهش است(انحنا حتي عمودي تر مي شود) . انحناي وسط(آبي) نشان دهنده جهان باز با چگالي كمتر از چگالي بحراني است كه در آن نيز انبساط جهان در در حال كاهش است اما نه به اندازه جهان با چگالي بحراني زيرا كشش جاذبه به آن شدت نيست. بالاترين منحني ( قرمز) نشان دهنده جهاني است كه كسر بزرگي از جرم/انرژي آن احتمالا در خلا زياد فضا است كه با نام ثابت كيهان شناسي شناخته مي شود و نمونه برجسته ي آنچه كه با نام انرژي تاريك شناخته مي شود و باعث انبساط جهان مي شود ، است. شواهد بسياري در حال كشف است كه جهانمان از اين منحني پيروي مي كند.
* لطفا از تصورات غلط عمومي در مورد انفجار بزرگ و انبساط دوري كنيد:
· انفجار بزرگ در يك نقطه فضا مانند انفجار رخ نداده است. بهتر است آن را مانند ظاهرهمزمان فضا در كل جهان تصور كنيم. آن قسمت فضا كه شامل افق اكنون ما است ، در گذشته به راستي از يك نقطه بزرگتر نبود.در واقع اگر تمام فضاي درون و بيرون افق ما اكنون نامحدود بود ريال نامحدود به دنيا آمده بود. اگر محدود و بسته بود ، از حجم صفر متولد شده بود و انبساط يافت. در هر دو مورد مركز انفجار – جايي كه جهان از آن نقطه شروع به انبساط كرد- وجود ندارد. در مقايسه با توپ ، شعاع توپ با انبساط جهان افزايش مي يابد اما تمام سطح توپ (جهان) در مدل برابر از يكديگر فاصله ميگيرند . درون توپ نبايد به جهان در اين مقايسه وابسته باشد.
· بنا بر تعريف ، جهان تمام فضا و زمان را همان طور كه مي دانيم احاطه كرده است بنابراين فراسوي ناحيه ي مدل انفجار بزرگ است كه بتوان تصور كرد جهان در آن در حال انبساط است. در جهان باز يا بسته تنها لبه فضا-زمان در زمان انفجار بزرگ رخ داد ( و شايد نقطه مقابل خرد شدن عظيم) بنابراين به طور منطقي نيازي نيست كه در باب اين سوال تفكر كرد.
· اين فراسوي ناحيه ي مدل انفجار بزرگ است كه بتوان گفت چه چيزي باعث پيشرفت انفجار بزرگ شد. چند تئوري متفكرانه در مورد اين موضوع وجود دارد ، اما هيچ كدام تا اكنون به طور واقعي قابل آزمايش نبودند.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990025s.jpg
بر اساس اين نكته ، تنها فرضي كه ميتوان در مورد جهان داشت اين است كه مواد توزيع شده در مقياس بزرگ همگن و داراي خواص فيزيكي متشابه هستند. در خانواده مدل هاي انفجار بزرگ چند پارامتر آزاد وجود دارد كه بايد توسط مشاهدات جهانمان ثابت شود. مهمترين آن ها اين هاست: هندسه جهان ( باز، بسته يا تخت) ، سرعت انبساط كنوني ( ثابت هابل ) ، مسير سراسري انبساط ، گذشته وآينده ، كه با چگالي كسري انواع گوناگون ماده در جهان شناخته مي شود . به خاطر داشته باشيد كه سن كنوني جهان به دنبال تاريخ انبساط و سرعت كنوني انبساط ، استنباط مي شود.
همان طور كه در بالا آورده شده است ، هندسه و تكامل جهان بر اساس سهم كسري مواد گوناگون شناخته شد. از آن جايي كه تراكم انرژي و فشار در استحكام نسبيت عام مشاركت دارند ، كيهان شناسان انواع ماده را بر اساس " معادله حالت" – ارتباط بين فشار و تراكم انرژي آن- طبقه بندي مي كنند. طرح طبقه بندي اوليه به شكل زير است:
· تششعات : از ذرات كم جرم يا حدود كم جرم كه با سرعت نور حركت مي كنند تشكيل شده است. مثال آشنا شامل فوتون ها (نور) و نوتريون ها است. اين گونه مواد با داشتن فشار مثبت قوي توصيف مي شوند.
· مواد باريوني: موادي عادي هستند كه به طور عمده از پروتون و نوترون و الكترون تشكيل شده اند. اين نوع ماده اساسا از نظر كيهانشناسي اهميت چنداني ندارد.
· ماده سياه : اين واژه به طور عمده به ماده بيگانه غير باريوني كه با مواد عادي تنها به طور ضعيف فعل و انفعال دارد ، اشاره دارد .از آن جا كه اين مواد هيچ گاه به طور مستقيم در آزمايشگاه مشاده نشد ، وجود آن مدت ها مورد شك و ترديد بود ( دلايل در قسمت بعدي)
· انرژي تاريك : اين يك ماده واقعا خيالي يا احتمالا با خاصيت خلا است كه توسط فشار بزرگ منفي توصيف مي شود. اين نوع ماده تنها علتي براي تسريع سرعت انبساط جهان است.
يكي از مشكلات اساسي كيهان شناسي كنوني اين است كه چگالي كلي و نسبي( جرم واحد حجم ) هر يك از اين انواع ماده را تعيين كنند ، از آنجايي كه فهميدن تكامل و سرانجام جهانمان ضروري است.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests.html)
* آزمايش كيهان شناسي انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ توسط چندين مشاهدات تائيد شده است ( كه هر كدام در قسمت هاي جداگانه بررسي شده است):
انبساط جهان : مشاهدات ادوين هابل در سال 1929 كه نشان داد كهكشان ها در حال دور شدن از ما هستند نشان داد كه تئوري انفجار بزرگ ممكن است درست باشد.
فراواني ذرات سبك هيدرژن ، هليم و ليتيم : تئوري انفجار بزرگ پيش بيني مي كند كه اين ذرات سبك احتمالا چند دقيقه بعد از انفجار بزرگ از پروتون ها و نوترون هاي با هم تركيب شده بوجود آمدند.
تششعات زمينه ريزموج كيهاني (CMB) : جهان اوليه بايستي بسيار گرم مي بود.تششعات زمينه ريزموج كيهاني بازمانده گرماي انفجار بزرگ است.
اين سه اثر قابل محاسبه به طور قوي تصور اين كه جهانمان از يك ماده چگال با ماده گازي گرم بخصوص بعد از پيش بيني مدل انفجار بزرگ بيرون آمده است
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html)
* آزمايش انفجار بزرگ : انبساط
- ادوين هابل:
مدل انفجار بزرگ همانطور كه براي جهان همگن اجرا شد يك نتيجه طبيعي از نسبيت عام انيشتين بود.هر چند در سال 1917 اين نظريه كه جهان در حال انبساط است بي معنا شناخته شد.بنابراين انيشتين ثابت كيهان شناسي را به عنوان اصطلاحي در تئوري نسبيت عام خود براي جهان ايستا اختراع كرد. در سال 1929 ادوين هابل اعلام كرد كه مشاهداتش در موردكهكشان هاي خارج كهكشان راه شيري نشان داد كه آنها با سرعت متناسب با فاصله شان از ما دور مي شوند. هر چه كهكشان دورتر باشد با سرعت بيشتري از ما دور مي شود. سر انجام ، جهان در حال انبساط است ، همان گونه كه نسبيت عام به طور اصلي پيش بيني كرد! هابل مشاهده كرد كه نور يك كهكشان معلوم هر چه كهكشان دورتر از كهكشان ما باشد در طيف رنگ به سمت قرمز ميل مي كند .
[/URL]
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990044s.gif
- ثابت هابل:
شكل علمي قانون انبساط هابل مهم است: سرعت پس رفت متناسب با فاصله است. مدل كيك كشمشي انبساط شونده در سمت چپ توضيح مي دهد كه چرا مهم است. اگر تمام جهات كيكي در مدتي معين از زمان انبساط يابد ، كشكش ها دقيقا مانند قانون انبساط هابل از يكديگر فاصله مي گيرند.
در مدتي معين از زمان ، يك كشكش نزديك تر به طور نسبي كمتر از يك كشمش دورتر جا به جا مي شود – و اين رفتار توسط تمام تمام كشمش هاي كيك ديده مي شود. به بيان ديگر، قانون هابل همان چيزي است كه هر كس از جهان همگن انتظار دارد ، همان طوري كه تئوري انفجار بزرگ پيش بيني كرد. از اين گذشته هيچ كشمشي ، يا كهكشاني نمي تواند جاي خاصي را در جهان اشغال كند –مگر اين كه به لبه كيك بسيار نزديك شود كه در آنجا توافق مي شكند.
نتيجه WMAP اخير نشان مي دهد كه ثابت هابل 73.5 +/-3.2 (km/sec)/Mpc است. اگر اطلاعات WMAP با ساير اطلاعات كيهان شناسي مخلوط شود ، مناسبترين تقريب 70.8 +/- 1.6 (km/sec)/Mpc است. (http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990044s.gif)
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990404s.gif
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_ele.html (http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990404b.gif)
* آزمايش هاي انفجار بزرگ: ذرات ماده
- تبديلات هسته اي در جهان ابتدائي:
واژه Nucleosynthesis به تبديلات ذرات سنگين تر اختصاص دارد ، هسته هاي اتم كه داراي نوترون و پروتون هستند باعث تركيب ذرات سبك تر مي شوند. تئوري انفجار بزرگ پيش بيني مي كند كه جهان ابتدائي مكاني گرم بود. يك ثانيه بعد از انفجار بزرگ ، دماي جهان به طور ناهنجار 10 بيليون درجه و پراز نوترون ، پروتون ، الكترون ، آنتي-الكترون (پوزيترون) ، فوتون و نوتريون بود. زماني كه جهان سرد شد ، نوترون در پي شكل دادن پروتون و الكترون محو شد يا با پروتون تركيب شد تا دوتريم ( يكي از ايزوتوپ هاي هيدرژن) را بسازد. در مدت سه دقيقه اول جهان ، اكثر دوتريوم ها با هم تركيب شدند تا هليم را شكل دهند. مقدار كمي ليتيم نيز در اين زمان توليد شد. اين فرآيند يعني تشكيل مواد سبك در جهان ابتدائي ، تبديلات هسته اي انفجار بزرگ(BBN) ناميده شد.
فراواني دوتريم ، هليم و ليتيم پيش بيني شده در جهان ابتدائي طبق شكل سمت چپ ، به تراكم مواد معمولي بستگي داشت. اين نتايج نشان ميدهد كه محصول هيلوم به طور نسبي به فراواني مواد معمولي غير حساس است ، بالاي حد معين. ما به طور كلي معتقديم كه 24% مواد معمولي در جهان ، هليم توليد شده در انفجار بزرگ است. اين توافق بسيار خوبي با مشاهدات و پيروزي بزرگ ديگري براي تئوري انفجار بزرگ است.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990403s.jpg
هر چند مدل انفجار بزرگ مي تواند بيشتر آزمايش شود . براي مواد سبك ديگر كه با مشاهدات توافق داشته باشد ، چگالي سراسر مواد معمولي بايد به طور ناهمواري 4% چگالي بحراني باشد. ماهواره WMAP بايد قادر باشد چگالي مواد معمولي را محاسبه كند و مقادير محاسبه شده را با تبديلات هسته اي پيش بيني شده انفجار بزرگ مقايسه كند. اين يكي از راه هاي دقيق و مهم براي آزمايش اين مدل است. اگر نتايج با هم همخواني داشتند ، اين شاهد ديگري براي اثبات تئوري انفجار بزرگ بود. اگر نتايج با يكديگر ناسازگار بودند ، به اين موارد اشاره دارد : 1- اشتباه در داده ها 2- درك ناكامل فرآيند تبديلات هسته اي 3- درك نادرست مكانيزمي كه نوسانات را در تششعات ريزموج توليد ميكند يا 4- مشكل بنيادي با تئوري انفجار بزرگ.
- تبديلات هسته اي در ستارگان :
ذرات سنگين تر از ليتيم در ستارگان تبديل مي شوند. در اواخر مراحل تكامل ستاره اي ، ستارگان پر جرم هليم را مي سوزاندند تا به كربن ، اكسيژن ، سيليكون ، گوگرد و آهن تبديل مي كردند. ذرات سنگين تر از آهن به دو شيوه توليد مي شدند: در پوشش بيروني ستارگان فوق سنگين و در انفجار ابر نواخترها . تمام زندگي كربني بر روي زمين به طور دقيق از غبارهاي ستارگان تشكيل شده است.
منبع: [URL="http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html"]http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html (http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990403b.jpg)
* آزمايش انفجار بزرگ: CMB
تئوري انفجار بزرگ پيش بيني ميكند كه جهان ابتدائي مكاني گرم بود و همان طور كه انبساط مي يافت گاز درون آن سرد مي شد. به اين ترتيب جهان بايد با تششعاتي پر شود كه به طور دقيق بازمانده گرماي انفجار بزرگ است و تششع زمينه ريزموج كيهان يا CMB ناميده مي شود.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990045s.jpg
- اكتشاف تششع زمينه ريزموج كيهاني:
وجود تششع CMB اولين بار توسط جرج گامو در سال 1948 و رلف آلفر و رابرت هرمن در سال 1950پيش بيني شد . و اولين بار به طور اتفاقي در سال 1965 توسط آرنو پنيز و رابرت ويلسون در آزمايشگاه تلفن بل در ماري هيل نيوجرسي مشاهده شد.تششعات به عنوان يك منبع اضافي اختلال در دريافت كننده راديوئي كه ساخته بودند عمل مي كرد. به طور همزمان ، تحقيقات انجام شده در دانشگاه پرينستون توسط رابرت ديك و ديو ويلكينسون از اعضاي تيم علمي WMAP را به سمت اختراع CMB سوق داد. هنگامي كه نتيجه ي آزمايش انجام شده در آزمايشگاه بل را شنيدند ، به سرعت متوجه شدند كه CMB كشف شد. نتيجه در نشيه هاي فيزيك در دو برگه بود: اول توسط ويلسون و پنزياس شامل جزئيات مشاهدات و ديگري توسط ديك، پيبلس ، رول و ويكينسون شامل تفسير كيهان شناسي. پنزياس و ويلسون مشتركا جايزه نوبل سال 1978 فيزيك را براي اين اكتشافشان برنده شدند.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990004s.jpg
امروزه ، تششعات CMB سرد شدند، تنها 2.725 درجه بالاتر از صفر مطلق . اين تششعات به طور عمده در قسمت طيف الكترومغناطيس مي درخشد و با چشم غير مسلح رويت نمي شود. هر چند ، جهان را پر مي كند و مي توان آن را در هر جايي تشخيص داد. در واقع اگر ما مي توانستيم ريزموج ها را ببنيم ، سراسر آسمان با درخشندگي يكسان گيج كننده اي در تمام جهات تابش مي كرد. تصوير سمت چپ ، يك نمايش رنگ اشتباه از دما(روشنايي) CMB در آسمان را نشان مي دهد( اجرا شده روي بيضي ، متشابه نقشه زمين ). دما يكنواخت است به جاي اينكه يك در هزار باشد! اين يكنواختي تنها دليل اجباري تصور اين كه گرما بازمانده انفجار بزرگ است ، هست. تصور يك منبع تششع كه اينچنين يكنواخت باشد بسيار دشوار است. در واقع ، دانشمندان سعي كردند تفاسير ديگري براي منبع اين تششعات به كار گيرند اما هيچ يك موفق نشدند.
- چرا مطالعه تششعات زير موج زمينه ي كيهاني؟ :
به دليل اين كه نور با سرعتي محدود حركت مي كند ، منجماني كه اشياي دور را رصد مي كنند به گذشته نگاه مي كنند. اكثر ستارگان قابل رؤيت در شب با چشم غير مسلح 10 تا 100 سال نوري از ما فاصله دارند. بنابراين ما آن ها را آن گونه كه 10 تا 100 سال پيش بودند مي بينيم. ما آندرومدا ، نزديك ترين كهكشان به ما ، را آنگونه كه 2.5 ميليون سال پيش بود ، ميبينيم. منجماني كه كهكشان هاي دور را توسط تلسكوپ فضايي هابل مشاهده مي كنند ، مي توانند آنها را همان گونه كه مانند تنها چند بيليون سال بعد از انفجار بزرگ مشاهده كنند. ( اكثر كيهان شناسان تصور مي كنند جهان 12 تا 14 بيليون سال عمر دارد.)
تششعات CMB تنها چند هزار سال بعد از انفجار بزرگ ، خيلي قبل از اين كه ستارگان و كهكشان ها وجود داشته باشند ، منتشر شدند. بنابراين با مطالعه جزئيات ويژگي هاي فيزيك تششعات ميتوانيم از وضعيت جهان در مقياسي بزرگ آگاهي يابيم ، از آن جا كه اين تششعات قابل رؤيت كنوني از مكاني دور و زمان هاي اوليه آمده اند .
- مبدا تششعات زمينه ي ريزموج كيهان:
يكي از مشاهدات ژرف قرن 20 اين بود كه جهان در حال انبساط است. اين انبساط بيان مي كند كه جهان در گذشته هاي دور كوچكتر ، چگال تر و گرم تر بود. هنگامي كه اندازه جهان مرئي نصف مقدار كنوني اش بود ، چگالي آن 8 برابر و دماي تششعات زمينه ي ريزموج كيهان 2 برابر مقدار كنوني بود. هنگامي كه اندازه جهان مرئي يك صدم اندازه ي كنوني اش بود ، دماي تششعات زمينه ي ريزموج كيهاني 100 برابر دماي كنوني اش (273 درجه بالاي صفر مطلق يا 32 درجه فارنهايت يعني دمايي كه آب در پوسته ي زمين به يخ تبديل مي شود) بود.علاوه بر تششعات زمينه ي ريزموج كيهان ، جهان مرئي ابتدائي از هيدرژن داغ با چگالي 1000 اتم در هر سانتي متر مربع پر شده بود. هنگامي كه جهان مرئي يك هزار ميليونيم اندازه كنوني اش را داشت ، دمايش 273 ميليون درجه بالاي دماي مطلق و چگالي موادش تقريبا با چگالي هواي پوسته ي زمين برابر بود. در اين دماهاي بالا هيدرژن بونيده شده و به پروتون و الكترون آزاد تبديل مي شود.
از آن جا كه جهان در ابتداي خلقتش بسيار گرم بود ، در آن زمان هيچ اتمي نبود و تنها الكترون و نوكلئون هاي ( شامل نوترون و پروتون ) آزاد وجود داشت. زمينه تششعات ريزموج پروتون كيهان ، به آساني از الكترون ها جدا مي شوند. بنابراين ، فوتون ها همانند نور مرئي ميان مه پر چگال از زمان جهان ابتدائي سرگردانند . اين فرآيند پراكندگي چندگانه آنچه كه " حرارتي" يا طيف فوتون هاي " جسم سياه" ناميده مي شود را توليد مي كند. بر اساس تئوري انفجار بزرگ ، فركانس طيف CMB بايد فرم جسم سياه را داشته باشد. اين مورد با صحت بزرگي توسط تجربه FIRAS در ماهواره NASA's COBE اندازه گيري شد.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/990015s.jpg
اين شكل پيش بيني تئوري انفجار بزرگ را براي طيف انرژي تششعات زمينه ي ريزموج كيهان در مقايسه با طيف انرژي رصد شده نشان مي دهد. تجربه ي FIRAS 34 نقطه برابر فضايي را در امتداد منحني جسم سياه اندازه گيري مي كند. مي له هاي خطا در نقاط داده ها به اندازه اي كوچك هستند كه در زير منجني پيش بيني شده شكل ديده نمي شوند! تا كنون هيچ تئوري متناوبي كه طيف انرژي را پيش بيني كند ، وجود ندارد. اندازه گيري دقيق شكل آن يك آزمايش مهم ديگري در تئوري انفجار بزرگ است.
- سطح پراكندگي آخر:
سرانجام جهان به اندازه اي سرد شد كه پروتون ها و الكترون ها تركيب شده تا هيدرژن خنثي را شكل دهند. اين گمان وجود دارد كه اين اتفاق 400000 سال پس از انفجار بزرگ – زماني كه جهان يك يازده هزارم اندازه كنوني اش را داشت- رخ داد. فوتون هاي زمينه ريزموج كيهان به طور بسيار ضعيف با هيدرژن هاي خنثي فعل و انفعال داشتند.
http://map.gsfc.nasa.gov/media/990053/990053s.jpg
- رفتار فوتون هاي CMB پروتون هاي پپپ
كه در جهان ابتدائي حركت ميكردند ، متشابه نور هاي مرئي است كه در اتمسفر زمين وجود دارند. قطره كوچك آب در ابر ها بر نور هاي پراكنده بسيار موثر است در حالي كه نور هاي مرئي به سادگي از ميان هواي صاف عبور مي كنند. بنابراين ، در يك روز ابري ، مي توانيم در ميان هوا روي ابر ها را ببينيم اما نمي توانيم از ميان ابر هاي كدر ببنيم. كيهان شناساني كه در مورد تتشعات زمينه ريزموج كيهان مطالعه مي كنند مي توانند گذشته ي جهان را زماني كه كدر بود ، ببينند : ديداري از 400000 سال پيش از انفجار بزرگ. اين " ديوار نور" از آن جايي كه اين آخرين باري است كه اكثر فوتون هاي CMB از ماده پراكنده مي شوند ، به نام رويه ي پراكندگي آخر شناخته مي شود.هنگامي كه نقشه اي از دماي CMB تهيه مي كنيم ، در حال نقشه برداري از رويه ي پراكندگي آخر هستيم.
همان گونه كه در بالا نشان داده شده ، يكي از ويژگي هاي بسيار برجسته ريزموج هاي زمينه كيهان متحد الشكل بودن آن هاست. تنها با دستگاه هاي بسيار حساس ، مانند COBE و WMAP كيهان شناسان مي توانند بي ثباتي دماي ريزموج هاي زمينه كيهان را درك كنند. با مطالعه اين بي ثباتي ها ، كيهان شناسان مي توانند در مورد مبداء كهكشان ها و ساختار بزرگ مقياس كهكشان ها بياموزند و مي توانند پارامتر هاي اساسي انفجار بزرگ را محاسبه كنند.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo.html)
* فراسوي كيهان شناسي انفجار بزرگ:
مدل انفجار بزرگ تكميل نشده است. براي مثال ، توضيح نداده است كه چرا جهان در مقياس بسيار بزرگ اين چنين متحدالشكل است ، يا در واقع چرا در مقياس كوچكتر چرا متحد الشكل نيست. بنابراين چگونه كهكشان ها و ستارگان شكل گرفتند.
مدل انفجار بزرگ بر اساس قوانين كيهان شناسي است كه فرض ميكند ماده در جهان به طور متحدالشكل در تمام مقياس ها- چه بزرگ و چه كوچك- پخش شده است.اين تقريب بسيار كارآمدي است كه اجازه ايجاد سناريوي انفجار بزرگ را مي دهد ، اما درك كامل تري از جهانمان نياز به فراتر رفتن از قوانين كيهان شناسي دارد. بسياري از كيهان شناسان گمان مي كنند تئوري تورم ، انبساط تئوري انفجار بزرگ، امكان دارد چهارچوبي براي توضيح متحدالشكل بودن جهانمان در مقياس بزرگ و اصل ساخت درون آن فراهم كند.
- ساختار درون جهان:
تئوري انفجار بزرگ كوششي براي توضيح چگونگي شكل گيري ستارگان و كهكشان هاي جهان نمي كند
- نوسانات تششعات زمينه ريزموج كيهان:
دماي CMB در سراسر آسمان تغيير اندكي دارد. چه چيزي موجب اين نوسانات مي شود و چگونه به ستارگان و كهكشان ها ارتباط دارد؟
- تورم جهان:
يك رشد متوالي كوتاه و به خصوص سريع در جهان بسيار ابتدائي ( تورم) ، انبساط زيباي و آزمايش شده پازل هاي بالا را فراهم مي كند.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_struct.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_struct.html)
* چگونه ساختار در اين جهان شكل گرفت؟
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/GalaxyIcon.jpg
منجمان ساختار هاي مهمي از ستارگان تا كهكشان ها تا خوشه ها و ابر خوشه هاي كهكشان ها را در جهان مشاهده كردند . " تصوير پرعمق " مشهور كه توسط تلسكوپ فضايي هابل گرفته شده است و در زير آمده است يك ديد حيرت انگير از چنين ساختاري را نمايش مي دهد. چگونه اين ساختار شكل گرفت؟اين گمان مي رفت كه تئوري انفجار بزرگ يكي از تئوري هاي موفق كيهان شناسي باشد اما اين تئوري ناكامل است. اين نظريه نمي تواند نوسانات مورد نياز را براي تهيه ساختاري كه ميبينيم را شرح دهد. اكثر كيهان شناسان بر اين باورند كه كهكشان هايي كه امروزه رصد ميكنيم از كشش گرانشي نوسانات تقريبا هم چگالي كوچك جهان ابتدائي شكل گرفت. اين نوسانات يك نشانه اي در تششعات زمينه ريزموج كيهان به عنوان نوسانات دمائي در جاي جاي پهنه آسمان به جاي مي گذارد. ماهواره WMAP اين نوسانات كوچك دمائي تششعات زمينه ريزموج كيهان را اندازه گرفت و در واقع مراحل ابتدائي شكل گيري ساختار را كاوش كرد.
تصوير پر عمق تلسكوپ فضايي هابل:
http://map.gsfc.nasa.gov/media/PRC96-01a_hubble/HDFWF3_s.gif
در ساده ترين شكل ، تئوري انفجار بزرگ فرض را بر اين دارد كه ماده و تششعات در جهان به طور يكسان پخش شده اند و نسبيت عام به طور جهاني معتبر است. همان گونه كه اين مي تواند وجود تششعات زمينه ريزموج كيهان را نقل كند و سرچشمه ذرات سبك را توضيح دهد ، نمي تواند وجود كهكشان ها و ساختار هاي بزرگ مقياس را توضيح دهد. راه حل اين مشكل ساختاري بايد بر پايه ي نظريه ي انفجار بزرگ بنا شود.
- شكل گيري جاذبه اي ساختار:
اغلب كيهان شناسان بر اين باورند كه كهكشان هايي كه امروزه مشاهده مي كنيم با تاثيرات گرانشي كه از نوسانات كوچك در چگالي جهان ناشي شده است و به واسطه ي رشته حوادث زير ، به وجود آمده اند :
· هنگامي كه جهان يك هزارم اندازه كنوني اش بود ( تقريبا 500000 سال بعد از انفجار بزرگ) مگالي ماده اي كه اكنون راه شيري ، كهكشان خانه ي ما ، را شكل داده احتمالا 0.5 % بيشتر از مكان هاي مجاور بود. به خاطر اين كه چگالي بالاتر بود ، مكان فضا خيلي كمتر از مكان هاي احاطه كننده منبسط مي شد.
· به دليل اين انبساط كوچك ، چگالي بالائي نسبي آن رشد ميكند. هنگامي كه اندازه جهان يك صدم اندازه كنوني اش ( تقريبا 15 ميليون سال بعد از انفجار بزرگ ) مكان فضاي ما احتمالا 5% چگال تر از مكان هاي احاطه كننده بود.
· همان گونه كه جهان انبساط مي يافت يك رشد آهسته ادامه داشت. هنگامي كه جهان يك پنجم اندازه كنوني اش (1.2 بيليون سال پس از انفجار بزرگ) بود ، مكان فضاي ما 2 برابر چگال تر از مكان هاي احاطه كننده آن بود. كيهان شناسان به اين نتيجه فكر كردند كه بخش داخلي كهكشان ما( يا كهكشان هاي مشابه) در اين زمان گرد آمدند. ستارگان اطراف فضاي كهكشان ما احتمالا در زمان هاي جديد تر گرد آمدند. برخي از كيهان شناسان بر اين گمانند كه برخي از اشيايي كه به تازگي توسط تلسكوپ فضايي هابل كشف شده است احتمالا كهكشان هاي در حال شكل گيري هستند.
+ تصاوير تلسكوپ فضايي هابل از كهكشان هاي در حال شكل گيري
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/GalaxEvC.jpg
- مشاهده نوسانات كوچك:
تغييرات ريز چگالي مواد در جهان ابتدائي يك نشانه در تششعات زمينه ريزموج كيهان به شكل نوسانات دمايي در جاي جاي آسمان به جاي مي گذارد. اين نوسانات دمايي جزئي است: يك نقطه آسمان ممكن است دماي 2.7251 كلوين( دماي بالاتر از صفر مطلق) داشته باشد و گوشه ي ديگر آن دماي 2.7249 . ماهواره كاوش گر زمينه كيهان ناسا (COBE) اين نوسانات كوچك را در مقياس هاي زاويه اي بزرگتر كشف كرد.WMAP بار ديگر اين نوسانات را با وضوح زاوبه اي و حساسيت بالاتر اندازه گرفت .
چه چيزي باعث اين نوسانات كوچك شد؟
در حالي كه جاذبه ميتواند نوسانات ريزي كه در جهان ابتدائي مشاهده مي شود را بهتر كند ، نمي تواند اين نوسانات را توليد كند. كيهان شناسان در مورد فيزيك جديد كه كمكي براي توليد نوسانات اصلي بودكه كهكشان ها را توليد مي كنند ، مي انديشند.دو انديشه عمومي اين است:
· تورم
· كاستي مكان شناسي
اين تئوري هاي مختلف حدسيات بسيار متفاوتي را در مورد ويژگي هاي تششعات زمينه ريزموج كيهان بدست مي دهد. براي مثال ، تئوري تورم پيش بيني مي كند كه بيشترين نوسان دمايي بايد مقياس زاويه اي يك درجه داشته باشد ، در حالي كه مدل كاستي يك مقياس ويژه كوچكتري را پيش بيني مي كند. WMAP با حساسيت عالي اش نشان ميدهد كه مدل تورم بيشتر محتمل است.
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_fluct.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_fluct.html)
* نوسانات در زمينه ريزموج كيهان شناسي:
زمينه ريزموج كيهان شناسي يك پس تاب بازمانده از انفجار بزرگ گرم است. دماي آن در سراسر آسمان يكسان است. هر چند ، تغيير دماي كوچك يا نوسان ( يك در ميليون قسمت) مي تواند بينش بزرگي را براي سرچشمه ، تكامل و حجم جهان عرضه دارد.
اگر شما در يك سفينه فضايي در حال نزديك شدن به زمين باشيد ، اولين چيزي كه درك مي كنيد اين است كه سياره كروي شكل است. در حالي كه به زمين نزديك تر مي شويد ، مي توانيد ببينيد كه پوسته به دو بخش قاره ها و اقيانوس ها تقسيم شده است. بايد با دقت بسيار به زمين نگاه كنيد تا كوه ها ، شهر ها ، جنگل ها و كوير ها يي كه قاره ها را پوشانده است ،مشاهده كنيد .
به طور مشابه ، هنگامي كه براي اولين بار 30 سال پيش كيهان شناسان به آسمان ريزموج ها نگاه كردند ، به اين نتيجه رسيدند كه آن ها متحدالشكل هستند. در حالي كه مشاهدات پيشرفت مي كرد ، دوقطبي هاي بدون خواص فيزيكي مشابه را كشف كردند. سرانجام در سال 1992 ماهواره كاوش گر زمينه كيهان (COBE) اولين شبه كشف خود را براي ديدين " كوه هاي پوسته زمين" انجام داد : او نوسانات كيهان شناسي را در دماي ريزموج هاي زمينه تشخيص داد. بسياري از اعضاي تيم علمي WMAP براي هدايت برنامه COBE و ساخت فضاپيما كمك كردند. اكتشاف COBE توسط آزمايش نقشه برداري مادون قرمز از راه دور (FIRS) حمل شده در بالن تائيد شد.
++ مقايسه ي تصاوير آسمان COBE و WMAP:
* نوسانات ديده شده توسط WMAP
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/map_model_0_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/map_model_1_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/map_model_2_s.gif
* نوسانات ديده شده توسط COBE
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/dmr_0_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/dmr_1_s.gif
http://map.gsfc.nasa.gov/media/ContentMedia/dmr_2_s.gif
به خاطر داشته باشيد كه WMAP ويژگي هاي بهتري را نسبت بهآنچه در نقشه هاي آسمان COBE قابل روئيت است ، نمايان مي كند. اين وضوح زاويه اي اضافه به دانشمندان اجازه ميدهد فراسوي آنچه COBE تهيه ميكند مقدار خوبي از اطلاعات اضافه را در مورد وضعيت جهان در زمان ابتدائي حدس بزنند.
اين جهت يابي به گونه اي است كه سطح راه شيري در مركز هر تصوير قرار دارد. جفت اعداد بالايي دماي آسمان ريزموج را در مقياسي نشان مي دهد كه آبي به معناي صفر كلوين ( صفر مطلق ) و قرمز به معناي 4 كلوين است. به خاطر داشته باشيد كه دما در اين مقياس يكسان ظاهر مي گردد. دماي واقعي زمينه ريزموج كيهان 2.725 كلوين است. جفت عكس وسط نقشه يكساني را در مقياسي نشان مي دهد كه آبي به معناي 2.721كلوين و قرمز به معناي 2.729 كلوين است.الگوي " يينگ يانگ " دوقطبي هاي بدون خواص فيزيكي مشابه اند كه از حركت خورشيد نسبت به چهارچوب هاي ديگر زمينه ريزموج كيهان نتيجه مي شود. جفت عدد پاييني آسمان ريزموج را بعد از برداشتن دوقطبي هاي بدون خواص فيزيكي مشابه نشان مي دهد. اين كاهش بسياري از نوسانات را كاهش مي دهد.: آنچه باقي ميماند سي مرتبه كوچكتر است. در اين نقشه ، مكان هاي گرم كه با قرمز نشان داده شده اند 0.0002 كلوين گرم تر از مكان هاي سردي هستند كه با رنگ آبي مشخص شده اند.
دو منبع اصلي براي نوسانات مشاهده شده در اعداد قبلي وجود دارد:
· انتشارات راه شيري در استواي نقشه شديد است اما مقدار كوچكي از استوا دور است.
· انتشار نوسانات از لبه هاي قابل رؤيت جهان در مناطق خارج از استوا شديد است.
· در اين نقشه اختلال بازمانده از خود ابزار ها نيز وجود دارد اما اين اختلالات در مقايسه با سيگنال هاي اين نقشه ها بسيار كوچك اند.
اين باور وجود دارد كه اين نوسانات دمايي ريزموج كيهاني همان گونه كه مدت كوتاهي بعد از انفجار بزرگ توليد شدند ، يك رد پاي نوساني در چگالي ماده در جهان ابتدايي بر جاي گذاشتند. همان گونه كه گذشت ، آن ها مقداري از جهان ابتدائي و سرچشمه كهكشان ها و ساختار هاي بزرگ مقياس جهان را آشكار كردند .
منبع: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html)
* تئوري تورم چيست؟
تئوري تورم بر دوره هاي بسيار سريع ( تشريحي ) انبساط جهان در لحظات ابتدايي اش پايه ريزي شد. اين تئوري در سال 1980 براي توضيح معماهاي تئوري استاندارد انفجار بزرگ – كه جهان به طور نسبتا آهسته اي در طول تاريخش منبسط مي شود - مطرح شد .
- محدوديت هاي تئوري انفجار بزرگ:
در حالي كه تئوري انفجار بزرگ به طور موفق طيف جسم سياه تششعات زمينه ريزموج كيهان و سرچشمه اجسام سبك را توضيح مي دهد ، سه ايراد مهم دارد:
· مشكل تخت: WMAP تعيين كرد كه جهان تقريبا تخت است. هرچنر ، كيهان شناسي انفجار بزرگ به طور خميده با زمان رشد كرد. جهاني با اين مسطحي كه ما امروزه مشاهده مي كنيم به يك وضعيت بسيار خوب موافق در گذشته نياز دارد كه مي تواند يك انطباق باورنكردني باشد.
· مشكل افق: نقاط دور فضا در جهات مخالف آسمان آن چنان دور از هم هستند كه با در نظر گرفتن انبساط انفجار بزرگ استاندارد ، نمي توانند هيچ گاه در تماس سببي با يكديگر باشند. اين به اين دليل است كه زمان حركت نور بين آنها به اندازه عمر جهان خواهد بود. در عين حال يكسان بودن دماي زمينه ريزموج هاي كيهان به ما مي گويد كه اين مكان ها در گذشته با يكديگر در تماس بودند.
· مشكل تك قطبي: كيهان شناسي انفجار بزرگ مي گويد كه در جهان ابتدائي مقدار بسيار زيادي تك قطبي هاي مغناطيسي پابدار و سنگين بوجود آمدند. هر چنر تك قطبي هاي مغناطيسي هيچ گاه مشاهده نشدند بنابراين اگر هرگاه آن ها وجود مي داشتند ، بسيار كمتر از آن چه تئوري انفجار بزرگ پيش بيني كرده بود ، مي بودند.
- تئوري تورم:
تئوري تورم كه توسط آلن گوس ، آندره ليند ، پول ستينهارت و اندي آلبرتچ ارائه شد ، راه حل هايي به اين سوالات و پرسش هاي بازي در كيهان شناسي مطرح مي كند. اين تئوري دوره ي زماني از تورم بسيار سريع جهان را در نظر ميگيرد كه نشان دهنده ي تقدم آن نسبت به تورم خيلي معمولتر انفجار بزرگ همزمان با وقتي كه چگالي انرژي جهان – مدلي از انرژي خلاء كه بعد ها براي توليد ماده و تششعاتي كه جهان كنوني را پركند ، نابود شد- برابر ثابت كيهان شناسي باشد ، هست.
تورم هم سريع و هم قوي بود. تورم اندازه طولي جهان را تا بيش 60 e-foldings (مقدار انبساط جهان به وسيله عددي تعريف ميشه كه خود اون عدد نيز به صورت تابعي در حال تغييراست. اين عدد معمولا بين 50 تا 70 تغيير مي كند و تغيير آن به متوسط سازي COBE بستگي دارد.
به اين عدد عدد e-foldings گويند.) يا ضريبي از 10 به توان 26 (10^26 ) در كسري از ثانيه توسعه داد ! از آن جايي كه تئوري تورم اشكالات بالا را به خوبي برطرف كرد امروزه به عنوان گسترش دهنده تئوري انفجار بزرگ در نظر گرفته مي شود در حالي كه نمونه اصلي مشابه جهان منبسط شونده حفظ مي شود. به علاوه تئوري تورم به ايده هاي مهمي مانند شكاف تقارن و فاز گذار در فيزيك مدرن را به كيهان شناسي ارتباط مي دهد.
- تورم چگونه اين مشكلات را رفع مي كند؟
· مشكل تخت : تصور كنيد روي سطح يك توپ فوتبال زندگي مي كنيد ( جهان 2 بعدي ) . بايد براي شما واضح باشد كه سطحي كه روي آن زندگي مي كنيد منحني و جهاني بسته است. هرچند ، اگر آن توپ در حد كره زمين توسعه يابد ، مي تواند براي شما تخت به نظر آيد با اين وجود در مقياس بزرگ تر يك كره است. اكنون تصور كنيد كه اندازه آن توپ تا مقياس هاي نجومي رشد كند . براي شما تا آن جا كه ميبينيد اين سطح تخت به نظر مي آيد هر چند كه در آغاز اين سطح يك منحني بود. تورم هر انحناي آغازين جهان 3 بعدي را نزديك به تخت در نظر مي گيرد.
· مشكل افق : از آن جا كه تئوري تورم يك انبساط تشريحي متوالي را در جهان ابتدائي در نظر گرفت ، به اين استنباط رسيد كه نواحي دور در واقع قبل از تورم به يكديگر نزديك تر از آنچه قرار بود با انبساط انفجار بزرگ استاندارد باشند ، بودند . بنابراين ، اين نواحي قيل از تورم در تماس سببي بودند و مي توانستند دماي يكساني داشته باشند.
· مشكل تك قطبي: تورم به تك قطبي هاي مغناطيسي كه تا قبل از دوره تورم بوجود آمدند ، امكان حضور مي دهد. در طي تورم ، چگالي تك قطبي ها به طور تشريحي افت كرد بنابراين فراواني آن ها به مراتب غير قابل كشف افت كرد.
به علاوه ، تورم سرچشمه ساختار جهان را نيز توضيح داد. قبل از تورم ، سهم جهاني كه امروزه ميبينيم در حد ميكروسكوپي بود و نوسانات كووانتومي چگيلي مواد در اين مقياس هاي كووانتومي به مقياس هاي نجومي رشد كرد . در طي چند هزار ميليون سال بعد نواحي پر چگال تر متراكم شدند و ستاره ها ، كهكشان ها و خوشه هاي كهكشاني را بوجود آوردند.