اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي

يُعدّ اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي تطورًا هامًا في علم الكونيات الفيزيائي الحديث . ففي عام 1964، اكتشف الفيزيائي الأمريكي أرنو آلان بنزياس وعالم الفلك الراديوي روبرت وودرو ويلسون إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB) ، وقدّرا درجة حرارته بـ 3.5 كلفن، وذلك أثناء تجاربهما باستخدام هوائي هولمديل القرني . ^{[ 1 ] [ 2 ]} اعتُبرت هذه القياسات الجديدة دليلًا هامًا على وجود كون مبكر ساخن ( نظرية الانفجار العظيم )، ودليلًا ضد نظرية الحالة المستقرة المنافسة. ^{[ 3 ]} إذ أظهرت دراسات نظرية أُجريت حوالي عام 1950 ^{[ 4 ]} ضرورة وجود إشعاع الخلفية الكونية الميكروي لتحقيق التوافق مع أبسط نماذج الكون النسبية . وفي عام 1978، مُنح بنزياس وويلسون جائزة نوبل في الفيزياء تقديرًا لقياسهما المشترك. سبق أن أجرى أندرو ماكيلار قياسًا للإشعاع الكوني الخلفي (CMB) عام 1941 عند درجة حرارة فعالة تبلغ 2.3 كلفن باستخدام خطوط امتصاص النجوم CN التي رصدها دبليو إس آدامز. ^{[ 5 ]} ورغم أن ماكيلار لم يشر إلى الإشعاع الكوني الخلفي، إلا أنه لم يتضح مدى أهمية هذا القياس السابق إلا بعد فترة طويلة ^{[ 6 ] من قياسات بينزياس وويلسون.}

بحلول منتصف القرن العشرين، كان علماء الكون قد طوروا نظريتين مختلفتين لتفسير نشأة الكون. أيد بعضهم نظرية الحالة الثابتة ، التي تنص على أن الكون كان موجودًا دائمًا وسيستمر في الوجود دون تغيير ملحوظ. بينما آمن آخرون بنظرية الانفجار العظيم ، التي تنص على أن الكون قد نشأ في حدث هائل يشبه الانفجار قبل مليارات السنين ( والذي حُدد لاحقًا أنه حوالي 13.8 مليار سنة ).

في عام 1941، استخدم أندرو ماكيلار الملاحظات الطيفية التي أجراها دبليو إس آدامز لخطوط امتصاص CN في طيف نجم من النوع B لقياس درجة حرارة خلفية الجسم الأسود التي بلغت 2.3 كلفن. وأشار ماكيلار إلى اكتشافه على أنه "درجة حرارة دورانية للجزيئات بين النجوم"، دون الإشارة إلى تفسير كوني، مصرحًا بأن درجة الحرارة "ستكون لها أهميتها الخاصة، وربما المحدودة". ^{[ 5 ]}

بعد أكثر من عقدين من الزمن، وفي عام 1964، كان أرنو بنزياس وروبرت ويلسون يعملان في منشأة تابعة لمختبرات بيل للهواتف على قمة تل كروفورد في هولمديل، نيو جيرسي ، حيث كانا يجريان تجارب على هوائي بوقي فائق الحساسية بطول 6 أمتار (20 قدمًا) بُني في الأصل لرصد الموجات الراديوية المنعكسة من أقمار إيكو الصناعية البالونية . ^{[ 2 ]} ولقياس هذه الموجات الراديوية الخافتة، كان عليهما التخلص من جميع التشويشات الملحوظة من جهاز الاستقبال. وقد أزالا تأثيرات الرادار والبث الإذاعي ، وكبحا التشويش الناتج عن الحرارة في جهاز الاستقبال نفسه عن طريق تبريده بالهيليوم السائل إلى -269 درجة مئوية (-452.20 درجة فهرنهايت) ، أي ما يعادل 4 كلفن فقط فوق الصفر المطلق .   

عندما قام بنزياس وويلسون بتحليل بياناتهما، وجدا ضوضاءً منخفضةً وثابتةً وغامضةً استمرت في جهاز الاستقبال. كانت هذه الضوضاء المتبقية أشدّ بمئة ضعف مما توقعا، ومنتشرةً بالتساوي في السماء، وموجودةً ليلًا ونهارًا. كانا على يقين من أن الإشعاع الذي رصداه على طول موجي 7.35 سنتيمتر (4080 ميجاهرتز) لم يكن مصدره الأرض أو الشمس أو مجرتنا . بعد فحص معداتهما بدقة، وإزالة بعض الحمام الذي كان يعشش في الهوائي وتنظيف فضلاته المتراكمة ، بقيت الضوضاء. استنتج كلاهما أن هذه الضوضاء قادمة من خارج مجرتنا، على الرغم من أنهما لم يكونا على دراية بأي مصدر راديوي يُفسّرها. 

في الوقت نفسه، كان روبرت إتش. ديك ، وجيم بيبلز ، وديفيد ويلكنسون ، علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون، التي تبعد 60 كيلومترًا فقط ، يستعدون للبحث عن إشعاع الميكروويف في هذه المنطقة من الطيف. افترض ديك وزملاؤه أن الانفجار العظيم لا بد أنه بدد ليس فقط المادة التي تكثفت لتشكل المجرات، بل أطلق أيضًا كمية هائلة من الإشعاع. وباستخدام الأجهزة المناسبة، يُفترض أن يكون هذا الإشعاع قابلاً للكشف، وإن كان على شكل موجات ميكروويف، نظرًا للانزياح الأحمر الهائل .  

عندما أخبر صديقه برنارد ف. بيرك ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بينزياس عن ورقة بحثية أولية اطلع عليها لجيم بيبلز حول إمكانية العثور على إشعاع متبقٍ من انفجار ملأ الكون في بداية وجوده، بدأ بينزياس وويلسون يدركان أهمية ما اعتبراه اكتشافًا جديدًا. تطابقت خصائص الإشعاع الذي رصده بينزياس وويلسون تمامًا مع الإشعاع الذي تنبأ به روبرت هـ. ديك وزملاؤه في جامعة برينستون. اتصل بينزياس بديك في برينستون، فأرسل له على الفور نسخة من ورقة بيبلز التي لم تكن قد نُشرت بعد. قرأ بينزياس الورقة واتصل بديك مرة أخرى ودعاه إلى مختبرات بيل لفحص هوائي البوق والاستماع إلى الضوضاء الخلفية. فسّر ديك وبيبلز وويلكنسون وبي جي رول هذا الإشعاع على أنه بصمة للانفجار العظيم.

لتجنب أي نزاع محتمل، قرروا نشر نتائجهم بشكل مشترك. وقد تم إرسال مذكرتين على عجل إلى مجلة رسائل الفيزياء الفلكية . في الأولى، أوضح ديك وزملاؤه أهمية إشعاع الخلفية الكونية كدليل على نظرية الانفجار العظيم. ^{[ 3 ]} وفي مذكرة ثانية، موقعة بشكل مشترك من قبل بنزياس وويلسون بعنوان "قياس درجة حرارة الهوائي الزائدة عند 4080 ميغاهرتز في الثانية"، أبلغوا عن وجود ضوضاء خلفية متبقية قدرها 3.5 كلفن، بعد احتساب مكون امتصاص السماء البالغ 2.3 كلفن ومكون الجهاز البالغ 0.9 كلفن، ونسبوا "تفسيراً محتملاً" إلى ما قدمه ديك في رسالته المصاحبة. ^{[ 1 ]}

في عام 1978، مُنح بنزياس وويلسون جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشافهما المشترك. وتقاسما الجائزة مع بيوتر كابيتسا ، الذي فاز بها عن عملٍ آخر. ^{[ 7 ]} وفي عام 2019، مُنح جيم بيبلز أيضًا جائزة نوبل في الفيزياء، "لاكتشافاته النظرية في علم الكونيات الفيزيائي". ^{[ 8 ]}

• آرونسون، ستيف (يناير 1979). "نور الخلق: مقابلة مع أرنو أ. بنزياس وروبرت و. ويلسون". سجل مختبرات بيل : 12-18 .
• أبيل، جورج أو. (1982). استكشاف الكون. الطبعة الرابعة . فيلادلفيا: دار نشر ساوندرز كوليدج. ISBN 9780030585029.
• أسيموف، إسحاق (1982). موسوعة أسيموف البيوغرافية للعلوم والتكنولوجيا. الطبعة الثانية . نيويورك: دار دابلداي وشركاه للنشر.
• بيرنشتاين، جيريمي (1984). ثلاث درجات فوق الصفر: مختبرات بيل في عصر المعلومات . نيويورك: تشارلز سكريبنر وأولاده. ISBN 978-0-684-18170-7.
• براش، ستيفن ج. (أغسطس 1992). "كيف أصبح علم الكونيات علماً". مجلة ساينتفك أمريكان . 267 (2): 62-70 . Bibcode : 1992SciAm.267b..62B . doi : 10.1038/scientificamerican0892-62 .
• تشاون، ماركوس (29 سبتمبر 1988). "بقايا كونية في ثلاث درجات". مجلة نيو ساينتست . 119 : 51-55 . رمز ببليوغرافي : 1988NewSc.119...51C .
• كروفورد، أ.ب.؛ هوغ، د.س.؛ هانت، ل.إ. (يوليو 1961). " مشروع إيكو: هوائي عاكس بوق للاتصالات الفضائية". المجلة التقنية لنظام بيل . 40 : 1095-1099 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x
• ديزني، مايكل (1984). الكون الخفي . نيويورك: شركة ماكميلان للنشر. ISBN 978-0-02-531670-6.
• فيريس، تيموثي (1978). الحد الأحمر: البحث عن حافة الكون. الطبعة الثانية . نيويورك: دار كويل للنشر.
• فريدمان، هربرت (1975). الكون المذهل . واشنطن العاصمة: الجمعية الجغرافية الوطنية. ISBN 978-0-87044-179-0.
• هاي، جيه إس (1973). تطور علم الفلك الراديوي . نيويورك: منشورات نيل واتسون الأكاديمية. رقم ISBN 978-0-88202-027-3.
• جاسترو، روبرت (1978). الله وعلماء الفلك . نيويورك: دبليو دبليو نورتون وشركاه. رقم ISBN 978-0-393-01187-6.
• كيربي-سميث، إتش تي (1976). المراصد الأمريكية: دليل ودليل سياحي . نيويورك: شركة فان نوستراند رينهولد. رقم ISBN 978-0-442-24451-4.
• ليرنر، ريتشارد (1981). علم الفلك من خلال التلسكوب . نيويورك: شركة فان نوستراند رينهولد. ISBN 978-0-442-25839-9.

• " هوائي بوقي لعلم الفلك والفيزياء الفلكية ". خدمة المتنزهات الوطنية، وزارة الداخلية.