latex

مُلَخَّص

نستعرض هنا الوضع الحالي لتجربة QUIJOTE (التعاون Q-U-I JOint Tenerife) لدراسة الخلفية الميكروويفية الكونية. تعد هذه الأداة الجديدة، التي ستبدأ تشغيلها في أوائل عام 2009 في مرصد Teide، مصمّمةً لتوصيف استقطاب الخلفية الميكروويفية الكونية والمكونات الأخرى للإشعاع الكوني والمصادر غير المجرية في النطاق الترددي 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية واسعة. ستكون QUIJOTE مكمّلًا حيويًا عند الترددات المنخفضة لمهمة PLANCK، وستوفّر الحساسية المطلوبة لاكتشاف الإشارة البدائية للموجات الثقالية في حال كانت نسبة الإشعاع التنسوري إلى القياسي \(r\ge0.05\).

مُقَدِّمَة

تُعَدُّ دراسة تباينات الخلفية الميكروويفية الكونية إحدى الركائز الأساسية لنموذج الانفجار العظيم. بفضل أحدث نتائج Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP5) والمعطيات التي قدمتها التجارب الأرضية مثل VSA وACBAR وCBI، أصبح بالإمكان تحديد المعاملات الكونية بدقة تتجاوز 5% (انظر Dunkley2008).

ومع ذلك، تحوي الخلفية الميكروويفية الكونية ثروة من المعلومات مُشفّرة في إشارة استقطابها. منذ الكشف الأول عن هذا الاستقطاب بواسطة تجربة Degree Angular Scale Interferometer (DASIpol)، بدأت تجارب أخرى بقياس طيف القدرة الزاويّة للاستقطاب. وعلى الرغم من أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ما تزال منخفضة نسبياً، فإن النتائج تتوافق جيداً مع توقعات نموذج Lambda Cold Dark Matter.

تنص النظرية المعيارية على أن الخلفية الميكروويفية الكونية مستقطبة خطياً بفعل تشتت طومسون خلال عصور إعادة التركيب أو إعادة التأين. يمكن تحليل موتر الاستقطاب إلى مركّبين: حقل E (التدرجي) وحقل B (الدوراني) (ZaldaSeljak07,Kamion97). وبفضل تناظر التكافؤ تظهر ثلاثة أطياف للقدرة الزاويّة رئيسية: TE (الارتباط المتقاطع بين الحرارة وحقل E)، وEE، وBB، بينما يجب أن تكون أطياف TB وEB صفراً.

إذا كانت تقلبات شدة الخلفية الميكروويفية الكونية ناتجة عن التقلبات القياسية (تقلبات الكثافة فقط)، فسوف تظهر الأوضاع E الأولية فقط. أمّا الموجات الثقالية في الكون المبكر—أي التقلبات التنسورية—فتتنبأ بوجود أوضاع B أولية على مقاييس زاوية كبيرة (انظر (Polnarev85)). وعليه، فإن قياس أوضاع B يوفر نافذة فريدة لدراسة عصر التضخم. يمكن التعبير عن مقياس الطاقة \(V\) الذي حدث فيه التضخم من خلال نسبة \(r\)، أي مساهمة التنسور إلى القياسي في طيف القدرة، كما ورد في (Partridge): \[r = 0.001 \Bigg( \frac{V}{10^{16}\,\mathrm{GeV}} \Bigg)^4\] الحدّ الأعلى الحالي \(r\lesssim0.3\) من بيانات WMAP (Komatsu08) يُرجَم إلى \(V\lesssim4\times10^{16}\)\,GeV.

نظرًا لأهمية اكتشاف الموجات الثقالية البدائية (TaskForce,ESAESO)، يتنامى الاهتمام بالتجارب الأرضية لقياس أو تقييد طيف القدرة لأوضاع B في استقطاب الخلفية الميكروويفية الكونية.

تجربة QUIJOTE-CMB (اختصاراً لـ Q-U-I JOint TEnerife) هي تعاون علمي بين معهد الفلك في جزر الكناري، ومعهد فيزياء كانتابريا، وشركة IDOM، وجامعات كانتابريا ومانشستر وكامبريدج. تهدف التجربة إلى توصيف استقطاب الخلفية الميكروويفية الكونية والانبعاثات المجرية وغير المجرية في النطاق 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية أكبر من درجة واحدة. للمزيد من المعلومات المُحدّثة راجع http://www.iac.es/project/cmb/quijote.

أهداف علمية

للتجربة هدفان علميان رئيسيان:

• الكشف عن بصمة أوضاع B التنسورية إذا كانت نسبة \(r\ge0.05\)؛

• توفير بيانات أساسية حول استقطاب الإشعاع السنكروتروني والانبعاث الميكروويفي الشاذ للمجرة عند الترددات المنخفضة (10–20 GHz).

لتحقيق ذلك، نحتاج إلى تغطية ما بين 3,000 و10,000 درجة مربعة بحساسية تقارب \(\sim3–4\)\,μK لكل شعاع بعرض درجة واحدة بعد عام تشغيل للأداة منخفضة التردد (11–19 GHz)، وأقل من \(\sim1\)\,μK لكل شعاع للأداة عند 30 GHz. الاستراتيجية النهائية ما تزال قيد النقاش، لكن في الشكل المرجعي fig:goal نعرض سيناريو لتحقيق الهدف العلمي لطيف القدرة الزاويّة لأوضاع E وB بعد ثلاث سنوات من التشغيل مع تغطية سماوية تبلغ 5,000 درجة مربعة. في هذه الحالة، يبلغ مستوى الضوضاء النهائي لخريطة 30 GHz نحو \(\sim0.5\)\,μK/شعاع. وفق هذه الحساسية ستقدم QUIJOTE إحدى أرقى القياسات لاستقطاب الإشعاع السنكروتروني والانبعاث الشاذ عند 11–19 GHz على مقاييس زاوية درجة، وهو أمر ضروري لفصل أوضاع B الأقل سيادة ضمن الانبعاث المجري (انظر (Tucci)).

ستُكمّل خرائط التردد المنخفض لـ QUIJOTE قياسات مسبار Planck، مما يساعد في توصيف الانبعاث المجري، لا سيما في تقييم مساهمة الانبعاث الميكروويفي المستقطب الشاذ (Watson,Battistelli).

وباستخدام هذه الخرائط، نقوم بتصحيح بيانات القناة عالية التردد (30 GHz) للبحث عن أوضاع B البدائية. يوضح الشكل المرجعي fig:foregrounds الإسهام المتبقي للإشعاع السنكروتروني بعد التصحيح، بافتراض قانون القدرة النقي للسنكروترون. تُناقش مسألة مصادر الراديو في سياق مرفق طرح المصدر أدناه.

تفاصيل التجربة

الأساس المرجعي للمشروع

يرصد مشروع QUIJOTE-CMB خمسة ترددات: 11، 13، 17، 19 و30 GHz بدقة زاوية تقارب الدرجة الواحدة. ينطلق من مرصد Teide (على ارتفاع 2400 م) في تينيريفي (إسبانيا)، وهو موقع أثبت جدارته في تجارب COSMOSOMAS وVSA ومشاريع التداخل JBO-IAC.

يتكون المشروع من مرحلتين. المرحلة الأولى، الممولة بالكامل، تشمل بناء التلسكوب وجهازي بؤرة قابلين للتبديل: جهاز متعدد القنوات يغطي 11–19 GHz مع بكسل واحد عند 30 GHz، ومن المتوقع أن يبدأ رصده في أوائل 2009؛ وجهاز ثانٍ مكوَّن من 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz يُفترض أن يدخل حيز التشغيل نهاية 2009. تشمل هذه المرحلة أيضًا مرفق طرح المصادر لرصد وتصحيح مساهمة المصادر الراديوية المستقطبة في الخرائط النهائية. يهدف الجدول [tab:basic] إلى تلخيص الخصائص الأساسية لهذين الجهازين.¹ يُحسب مدى حساسية درجة الحرارة لكل شعاع عبر المعادلة: \[\Delta Q = \Delta U = \sqrt{2}\,\frac{T_{\rm sys}}{\sqrt{\Delta\nu\;t\;N_{\rm chan}}},\] حيث \(N_{\rm chan}\) عدد القنوات، \(\Delta\nu\) النطاق الترددي، و\(T_{\rm sys}\) درجة حرارة النظام بما في ذلك السماء. يستهدف الجدول الزمني بلوغ \(r=0.1\) بحلول نهاية 2011، و\(r=0.05\) بحلول 2015.

أمّا المرحلة الثانية (غير الممولة حاليًا)، فتتضمن بناء تلسكوب ثانٍ مطابق للأول وجهاز ثالث مع 30 مقياس استقطاب عند 40 GHz.

التلسكوب والغلاف

يعتمد تلسكوب QUIJOTE-CMB على تصميم دراغونيان متقاطع، بمرآة أولية قطرها 3 m وثانوية قطرها 2.6 m، مع نظام غير مضاء بالكامل للحدّ من الإشعاعات الجانبية وتسرب الإشارة من الأرض. يحيط بالبصريات غلاف أسطواني ماصّ يقلل من إشارة التسرب.

صُممت المرآتان للعمل حتى 90 GHz مع أقصى تسامح للخطأ لا يتجاوز 20 μm وانحراف أقصى \(d=100\) μm.

يُركب النظام على منصة دوّارة حول المحور العمودي بسرعة 0.25 Hz، مع هيكل ارتفاع-سمتي يمكّنه من توجيه التلسكوب لأي نقطة في السماء بزاوية ارتفاع فوق \(30^\circ\).

الآلة الأولى

هذه آلة متعددة القنوات تحتوي على خمسة مداخل استقطاب مستقلة (خمس بكسلات): اثنان عند 10–14 GHz، واثنان عند 16–20 GHz، وبكسل مركزي عند 30 GHz. الهدف العلمي الأساسي منها هو توصيف الانبعاث المجري. يتضمن التكوين البصري خمس قرون مخروطية مموجة (المصممة في مانشستر) تغذي نظام عاكس مزدوج متقاطع الأنماط مع استقطاب متقاطع ممتاز (≤-35 dB) وحزمة متماثلة. يغذي كل قرن مشغل استقطاب دوار محوري مبرد يمكنه الدوران بسرعات تصل إلى 40 Hz (انظر الشكل [fig:first]) لتحويل ضوضاء 1/f في مضخمات التردد المنخفض عبر تعديل الاستقطاب عند 160 Hz. يشتمل بكسل 30 GHz على تبديل طور إضافي لتحسين الاستقرار. تُفصل الإشارات الخطية المتعامدة عبر محول الوضع الأرثوذكسي المبرد قبل التضخيم المتماثل، ثم تُمرَّر إلى الوحدة الخلفية حيث تُضخَّم وتُرشَّح في النطاق المطلوب قبل اكتشافها بواسطة كاشف تربيعي. جميع المقاييس ما عدا 30 GHz تكشف Q وU متزامنين بإشارات مهجنة 180° ومكتشفتين إضافيتين. يُقسَّم نطاق الأجهزة منخفضة التردد إلى نطاق علوي وسفلي، فتصبح ثماني قنوات لكل مقياس استقطاب (انظر الجدول [tab:basic]).

يبني المعهد الفلكي الكناري الوحدة الأمامية للقنوات منخفضة التردد باستخدام مضخمات 6–20 GHz (تصميم S. Weinreb في Caltech) بربح ~30 dB ودرجة ضوضاء <9 K. تُصنع وحدة 30 GHz في مانشستر بوحدة فاراداي (كما في OCRA-F)، والوحدة الخلفية بواسطة DICOM بالشراكة مع IFCA. يوفر التبريد والأنظمة الميكانيكية كل من CMS (جيف جوليان)، IDOM، والمعهد الفلكي الكناري.

الجهاز الثاني

يُكرّس هذا الجهاز لقياس أوضاع B الأولية، ويتألف من 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz. التصميم هو نسخة مصغرة معدّلة من الآلة الأولى.

مرفق طرح المصدر

نسخة محدثة من مرفق طرح المصادر VSA (VSA-SS أو VSA1)، طورتها جامعة كافنديش وجامعة مانشستر، سترصد مساهمة المصادر الراديوية عند 30 GHz باستخدام مقياس تداخل ثنائي العناصر مزود بأطباق قطرها 3.7 m وفاصل 9 m. يكفي بهذا رصد المصادر ذات التدفق الكلي >300 mJy لخفض مخلفاتها إلى مستوى إشارة B المتوقعة لنسبة \(r=0.1\). نحو 500 مصدرًا يجب متابعتها في منطقة مسح QUIJOTE، مع حساسية تدفق ~2–3 mJy لكل منها.

الاستنتاجات

سيوفر QUIJOTE-CMB بيانات فريدة عن استقطاب الإشعاع السنكروتروني والشاذ في درب التبانة عند الترددات المنخفضة، مما يثري تجارب B المستقبلية. على وجه الخصوص، يكمل QUIJOTE قياسات مسبار Planck عند تلك الترددات، وباستخدامه يمكن اكتشاف إشارة B الناتجة عن الموجات الثقالية البدائية في خريطة 30 GHz إذا كانت \(r\ge0.05\).