شک‌های برطرف شده توسط بالون

مسابقه تأیید وجود موجك‌های كیهانی را – كه به نظر استیون هاوكینگ بزرگترین صد سال اخیر است – گروهی از اخترشناسان دانشگاه پرینستون وانستیتو تكنولوژی ماساچوست برنده شدند. گروه مذكور در تابش زمینه كیهانی، كه بقایای سرد شده آتشگویی است كه 15 میلیارد سال پیش، عالم از آن زاده شد، این افت و خیزها را یافته‌اند. این افت و خیزها یا موجك‌ها از لحاظ دامنه و اندازه شبیه موجك‌هایی‌اند كه چندی پیش از سوی گروه COBE (ماهواره كاشف تابش زمینه كیهانی) اعلام شد. جورج اسموت، از اعضای گروه COBE، تا حدی به گزاف می‌گوید كه به دیدار سیمای خدا نائل شده‌ایم اما در پس ذهن خیلی‌ها این فكر وجود دارد كه نكند این افت و خیزها، معلول اندازه‌گیری‌های ما باشد.
تابش زمینه كیهانی همه سوراخ و سنبه‌های فضا را پر كرده است و ظاهراً از همه جهات آسمان می‌آید. ماهواره COBE در سال 1989 به فضا پرتاب شد. افت و خیزهایی كه توسط این ماهواره كشف شد، تكه‌هایی از آسمان است كه تابش آن‌ها ظاهراً كمی گرمتر یا كمی سردتر از مقدار متوسط دمای تابش زمینه، یعنی 7ر2 كلوین است.
تابش زمینه كیهانی از آتشگوی آغازین، در حالی كه سرد می‌شد، ساطع شده است و به همین دلیل آثار توزیع ماده، اندك زمانی پس از مهبانگ، بر آن نقش بسته است. لكه‌های سرد ی كه COBE رؤیت كرده، مناطقی از جهان اولیه است كه اندكی چگالتر از نواحی دیگر بودند. این مناطق در حین انبساط عالم، ماده بیشتری به خود جذب كردند و نهایتاً ابر مجموعه‌های عظیم كهكشانی را پدید آوردند.
لكه‌های داغ را جام مقدس كیهان‌شناسی لقب داده‌اند. دمای آن‌ها به میزان بسیار كمی، فقط چیزی حدود چند ده میلیونیم درجه، گرمتر از مقدار متوسط است. باید گفت كه وقتی ماهواره COBE آماده پرتاب می‌شد، در نقاطی از جهان آزمایش‌هایی در مرحله اجرا بود كه دقتشان به آستانه این مقدار رسیده بود. اكنون یكی از این آزمایش‌ها از این مرز گذشته است و به این اندازه‌گیری مهم نائل شده است.
طنز قضیه در این است كه لیمان پیج از دانشگاه پرینستون، استفن مه‌یر از ام‌آی‌تی، و اد چانگ از مؤسسه فضایی گودارد، قبل از COBE به رؤیت این موجك‌ها موفق شدند. اما آثار اندازه‌گیری شده به قدری كوچك بود كه گروه مزبور پس از سه سال تجزیه و تحلیل توانست ثابت كند كه آنچه مشاهده كرده است حقیقتاً افت و خیزهای تابش مهبانگ است، نه چیز دیگری نظیر پارازیت‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری.
ماهواره COBE از این مزیت برخوردار بود كه در مداری فراسوی جو زمین حركت می‌كرد و می‌دانیم كه جو زمین تابش زمینه كیهانی را به شدت جذب می‌كند. پیچ و همكارانش كه بودجه‌شان به گرد پای هزینه 160 میلیون دلاری COBE نمی‌رسید، به ناچار تجهیزاتشان را با بالون به ارتفاعات زیاد فرستادند.
آشكارسازهایی كه بر بالون نصب شده بودند 25 مرتبه از آشكارسازهای ماهواره حساس‌تر بودند. یعنی می‌توانستند همان اندازه‌گیری‌های ماهواره را 625 مرتبه سریعتر انجام بدهند. پیج می‌گوید: ما می‌توانستیم كاری را كه COBE در یك سال انجام می‌داد، در عرض 10 ساعت انجام بدهیم.
با آنكه حساسیت COBE به حد كافی نبود، اما در انجام مأموریتش موفق شد، زیرا می‌توانست به مدتی بیش از یك سال، تابش زمینه را بررسی كند و چیزی مخل كارش نشود. اما ابزارهایی كه بر بالون نصب بودند به ندرت می‌توانستند بیش از 10 ساعت تابش را بررسی كنند. زیرا باد تماس رادیویی آن‌ها را با زمین قطع می‌كرد.
پیج و همكارانش در سال 1984 شروع به تدارك آزمایش‌هایشان كردند. اولین پرواز در 1988 انجام گرفت اما موفقیت چندانی نداشت. پیج می‌گوید: فاجعه‌ای اتفاق افتاد و بالون ما منفجر شد. اما در اكتبر 1989، گروه تجهیزاتشان را برای پرتاب به محل فورت سانر در نیومكزیكو برد و این بار همه چیز مطابق میل پیش رفت.
بالون به ارتفاع 40 كیلومتری رسید و به مدت 6 ساعت تابش مهبانگ را رصد كرد. دستگاهی كه بر بالون نصب شده بود در جستجوی اختلاف دماهای ناچیز ربع آسمان را كاوید.
به گفته پیج: وقتی كه اطلاعات به دست ما رسید، تغییرات دما به وضوح مشاهده می‌شد. مشكل كار این بود كه نمی‌توانستیم بگوییم این تغییرات در تابش زمینه است یا ناشی از چشمه‌ای در حول و حوش خودمان. این نوسانات می‌توانست از كهكشان خودمان باشد یا از جو و یا حتی از خود دستگاه.
پیج می‌گوید: احتمالات مختلف را یكی یكی حذف كردیم، دستگاه در چهار طول موج یعنی یكی بیشتر از طول موج‌های مورد استفاده COBE، رصد كرده بود. این طول موج اضافی به داد كن كانگا از پرینستون رسید و او توانست گسیل مربوط كهكشان خودمان را كه عمدتاً از غبارهای آن ناشی می‌شد به دست بیاورد و آن‌را از سیگنال دریافت شده حذف كند.
بالاخره، شش ماه پیش، این گروه توانست اثر همه عوامل مزاحمی را كه به فكرش رسیده بود حذف كند. نتایج در دسامبر گذشته در كارگاهی در بركلی كالیفرنیا ارائه شد.
لكه‌های داغی كه پیدا كرده بودند فقط به اندازه 5ر14 میلیونیم كلوین بیشتر از دمای متوسط آسمان بود و كمی كمتر از 17 میلیونیم كلوین بود كه COBE به دست آورده بود. اما این لكه‌های داغ نیز مثل آنچه در نقشه COBE مشاهده می‌شد، به هر اندازه و مقیاسی وجود داشت، از هفت برابر قطر ظاهری ماه گرفته تا یك چهارم آسمان.
پیج و همكارانش نقشه خودشان را با نقشه‌ای كه COBE از آسمان به دست آورده بود مقایسه كردند تا ببینند كش و قوس‌هایشان یكسان است یا نه. نقشه‌ها یكی بودند، و به قول پیج نتیجه خیلی خوبی بود.
مه‌یر و چنگ، هم درگیر COBE بودند و هم روی آزمایش بالون كار می‌كردند. چند نفر دیگر هم كه اطلاعات ماهواره را بررسی می‌كردند، همین مقایسه را انجام دادند و تصدیق كردند كه همخوانی نتایج خیلی خوب است.
آنچه موجب اطمینان خاطر است این است كه نتایج اخیر با استفاده از دستگاهی به دست آمده كه كاملاً با دستگاه ماهواره COBE فرق دارد. مثلاً این دستگاه در طول موج‌های حدود میلی‌متر و كوتاه‌تر از میلی‌متر عمل می‌كرد، اما COBE نسبت به طول موج‌های بلندتر تا حدود چند سانتی‌متر، حساس بود.
اهمیت تفاوت دستگاه‌ها از آن جهت است كه سیگنال تابش زمینه‌ای چیزی است كه بعد از تفریق تابش‌های ناشی از كهكشان خودمان باقی می‌ماند. در آزمایش بالون در طول موج‌های كوچكتر، عامل عمده گسیل كهكشانی غبار داغ است، در حالی كه گسیل كهكشانی در طول موج‌های بلندتر COBE ناشی از حركت مارپیچی الكترون‌ها حول خطوط میدان مغناطیسی است.
گسیل كهكشانی در هر آزمایشی سبب عدم قطعیت زیادی است، بنابراین وقتی كه پس از استفاده از دو مدل كاملاً متفاوت (یكی گسیل از غبار و دیگری گسیل از الكترون‌ها)، نتایج آزمایش‌های بالون و ماهواره به افت و خیزهای یكسانی در تابش زمینه كیهانی انجامید، خاطر آسوده شد. گروه پیج، بار دیگر در سال 1990 بالونی به هوا فرستادند، اما تحلیل و بررسی اطلاعات حاصل از آن هنوز تمام نشده است. با احتساب این نتایج اضافی تقریباً یك سوم آسمان بررسی شده است.
تأیید دیگری از رصدهای COBE به دست آمده است. دو هفته پس از آنكه رصدهای COBE نشان داد كه طیف تابش زمینه كیهانی دقیقاً طیف یك جسم سیاه است و بنابراین از مهبانگ ناشی می‌شود، هرب گاش از دانشگاه بریتیش كولومبیا، با آزمایشی كه روی راكتهای هواشناسی انجام داده بود، طیف تقریباً مشابهی را به دست آورد. او از سال 1968 در تلاش برای مشاهده این طیف بوده است.