مُلَخَّص

نستعرض هنا الحالة الراهنة لتجربة QUIJOTE (التعاون Q-U-I JOint Tenerife) لدراسة الخلفية الكونية الميكروية. تُعَدّ هذه الأداة الجديدة، التي ستبدأ عملياتها في أوائل عام 2009 في مرصد Teide، مُصمَّمةً لتوصيف استقطاب الخلفية الكونية الميكروية والانبعاثات المَجَرِّيّة وخارج المَجَرِّيّة في نطاق التردّد 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية واسعة. ستكون QUIJOTE مُكمِّلًا حيويًّا عند التردّدات المنخفضة لمهمة PLANCK، وستُوفِّر الحساسية اللازمة لاكتشاف المكوّن البدائي للموجات الثقالية إذا كانت نسبة التنسور إلى القياسي \(r\geq 0.05\).

مُقَدِّمَة

تُعَدّ دراسة تباينات الخلفية الكونية الميكروية إحدى الركائز الأساسية لنموذج الانفجار العظيم. مع أحدث نتائج القمر الصناعي Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP5) والمعلومات التي قدَّمتها التجارب الأرضية مثل Very Small Array (VSA) وArcminute Cosmology Bolometer Array Receiver (ACBAR) وCosmic Background Imager (CBI)، أصبح بالإمكان تحديد المعاملات الكونية بدقّة أفضل من 5% (انظر (Dunkley2008)).

ومع ذلك، تحتوي الخلفية الكونية الميكروية على ثروة من المعلومات مُشفَّرة في إشارة استقطابها. منذ الكشف الأوّل عن هذا الاستقطاب بواسطة تجربة Degree Angular Scale Interferometer (DASIpol)، بدأت تجارب أخرى بقياس طيف القدرة الزاوي للاستقطاب. وعلى الرغم من أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ما زالت منخفضة نسبيًّا، إلّا أن النتائج تتوافق جيّدًا مع توقّعات نموذج لامبدا–مادّة مظلمة باردة (ΛCDM).

تنصّ النظريّة المعياريّة على أنّ الخلفية الكونية الميكروية مُستقطَبة خطيًّا بفعل تشتّت طومسون خلال عصري إعادة التركيب وإعادة التأيّن. يمكن تحليل موتر الاستقطاب إلى مكوِّنَيْ حقل: E (التدرُّجي) وB (الدوَّار) (ZaldaSeljak07,Kamion97). وبفضل تناظر التكافؤ تظهر ثلاثة أطياف قدرة زاويّة رئيسة: TE (الارتباط المتقاطع بين الحرارة ووضع E)، وEE، وBB، بينما يجب أن تكون الأطياف TB وEB صفرًا.

إذا كانت تقلبات شدّة الخلفية الكونية الميكروية ناتجة عن تقلبات قياسيّة (تقلبات كثافة فقط)، فسوف تظهر أوضاع E أوليّة فقط. لكن الموجات الثقالية في الكون المبكر — أي التقلبات التنسورية — تتنبّأ بوجود أوضاع B أوليّة على مقاييس زاوية كبيرة (انظر (Polnarev85)). وعليه، فإن قياس أوضاع B يوفّر نافذة فريدة لدراسة عصر التضخّم. يمكن التعبير عن مستوى الطاقة \(V\) الذي حدث فيه التضخّم من خلال نسبة \(r\) (مساهمة التنسور إلى القياسي في طيف القدرة)، كما في (Partridge):

الحدّ الأعلى الحالي \(r\lesssim 0.3\) من بيانات WMAP (Komatsu08) يُقابِل \(V\lesssim 4\times 10^{16}\,\mathrm{GeV}\).

نظرًا لأهميّة اكتشاف الموجات الثقالية البدائيّة (TaskForce,ESAESO)، يتنامى الاهتمام بالتجارب الأرضيّة لقياس أو تقييد طيف قدرة أوضاع B لاستقطاب الخلفية الكونية الميكروية.

تجربة QUIJOTE-CMB (اختصارًا 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 إلى توصيف استقطاب الخلفية الكونية الميكروية والانبعاثات المَجَرِّيّة وخارج المَجَرِّيّة في نطاق 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية أكبر من درجة واحدة. للمزيد من المعلومات المُحدَّثة راجع http://www.iac.es/project/cmb/quijote.

أهداف علميّة

لتجربة QUIJOTE-CMB هدفان علميّان رئيسان:

• الكشف عن بصمة أوضاع B التنسوريّة إذا كانت \(r\geq 0.05\)؛

• توفير بيانات أساسيّة حول استقطاب الإشعاع السنكروتروني والانبعاث الميكروي الشاذ للمجرة عند التردّدات المنخفضة (10–20 GHz).

لتحقيق ذلك، نحتاج إلى تغطية حوالي 3,000–10,000 درجة مربّعة بحساسية تبلغ \(\sim 3\text{–}4\,\mu\mathrm{K}\) لكلّ شعاع بعرض درجة واحدة بعد عام تشغيل للأداة منخفضة التردّد (11–19 GHz)، وأقل من \(\sim 1\,\mu\mathrm{K}\) لكلّ شعاع للأداة عند 30 GHz. الاستراتيجيّة النهائيّة لا تزال قيد النقاش، لكن في الشكل المرجعي fig:goal نعرض سيناريو لتحقيق الهدف العلمي لطيف القدرة الزاوي لأوضاع E وB بعد ثلاث سنوات من التشغيل مع تغطية سماويّة قدرها 5,000 درجة مربّعة. في هذه الحالة، يبلغ مستوى الضوضاء النهائي لخريطة 30 GHz نحو \(\sim 0.5\,\mu\mathrm{K}\) لكلّ شعاع. ووفق هذه الحساسيّة ستقدّم QUIJOTE إحدى أرقى القياسات لاستقطاب الإشعاع السنكروتروني والانبعاث الشاذ عند 11–19 GHz على مقاييس زاوية درجية، وهي مهمّة إذ إن أوضاع B أقلّ سيادة ضمن الانبعاث المَجَرِّي (انظر (Tucci)).

ستُكمِّل خرائط التردّد المنخفض لـ QUIJOTE قياسات مسبار Planck، مما يساعد في توصيف الانبعاث المَجَرِّي، ولا سيّما في تقييم مساهمة الانبعاث الميكروي المستقطَب الشاذ (Watson,Battistelli).

وباستخدام هذه الخرائط نُصحِّح بيانات القناة عالية التردّد (30 GHz) للبحث عن أوضاع B البدائيّة. يوضّح الشكل المرجعي fig:foregrounds الإسهام المتبقّي للإشعاع السنكروتروني بعد التصحيح، بافتراض قانون قدرة بسيط للسنكروترون. مسألة مصادر الراديو تُناقَش في سياق مرفق طَرْح المصدر أدناه.

تفاصيل التجربة

الأساس المرجعي للمشروع

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

يتكوّن المشروع من مرحلتين. المرحلة الأولى، المموَّلة بالكامل، تشمل بناء التلسكوب وجهازين بؤريَّيْن قابلين للتبديل: جهاز متعدِّد القنوات يغطي 11–19 GHz مع بكسل واحد عند 30 GHz، ومن المتوقّع أن يبدأ رصدُهُ في أوائل 2009؛ وجهازٌ ثانٍ مُكوَّن من 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz يُفترض أن يدخل حيّز التشغيل نهاية 2009. تشمل هذه المرحلة أيضًا مرفق طَرْح المصادر لرصد وتصحيح مساهمة المصادر الراديوية المستقطَبة في الخرائط النهائيّة. يهدف الجدول [tab:basic] إلى تلخيص الخصائص الأساسيّة لهذين الجهازين.¹ يُحسب مدى حساسية درجة الحرارة لكلّ شعاع عبر المعادلة:

حيث \(N_{\rm chan}\) عدد القنوات، و\(\Delta\nu\) النطاق التردّدي، 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 المموَّلة حاليًّا)، فتتضمّن بناء تلسكوب ثانٍ مطابق للأوّل وجهازًا ثالثًا مع 30 مقياس استقطاب عند 40 GHz.

التلسكوب والغلاف

يعتمد تلسكوب QUIJOTE-CMB على تصميم دراغوني مُتَصالِب (Crossed-Dragone)، بمرآة أوليّة قطرها 3 m وثانويّة قطرها 2.6 m، مع نظام غير مُضاء بالكامل للحدّ من الإشعاعات الجانبيّة وتسرب الإشارة من الأرض. يحيط بالبصريات غلاف أسطواني ماصّ يُقلّل من إشارة التسرب.

صُمِّمت المرآتان للعمل حتى 90 GHz مع أقصى تسامح للخطأ لا يتجاوز \(20\,\mu\mathrm{m}\) وانحراف أقصى \(d=100\,\mu\mathrm{m}\).

يُركَّب النظام على منصّة دوّارة حول المحور العمودي بسرعة 0.25 Hz، مع هيكل ارتفاع–سُمتي يُمكِّنه من توجيه التلسكوب لأيّ نقطة في السماء بزاوية ارتفاع فوق \(30^\circ\).

الآلة الأولى

هذه آلة متعدِّدة القنوات تحتوي على خمسة مقاييس استقطاب مستقلّة (5 بكسلات سماويّة): اثنان عند 10–14 GHz، واثنان عند 16–20 GHz، وبكسل مركزي عند 30 GHz. الهدف العلمي الأساسي منها هو توصيف الانبعاث المَجَرِّي. يتضمّن التكوين البصري خمس قرون مخروطية مُموَّجة (المصمَّمة في مانشستر) تُغذّي نظام عاكس مزدوج متقاطع الأنماط مع استقطاب متقاطع ممتاز (\(\leq -35\) dB) وحزمة متماثلة. يُغذّي كل قرن مُعَدِّلَ استقطابٍ مُحوريًّا دوّارًا مُبرَّدًا يمكنه الدوران بسرعات تصل إلى 40 Hz (انظر الشكل [fig:first]) لتحويل ضوضاء 1/f في مضخِّمات التردّد المنخفض عبر تعديل الاستقطاب عند 160 Hz. يشتمل بكسل 30 GHz على تبديلِ طورٍ إضافيٍّ للاستقرار. تُفصَل المكوِّنات الخطّيّة المتعامدة للإشارة عبر مُحوِّل النمط المُتعامِد (OMT) مُبرَّد قبل التضخيم على نحوٍ متماثل، ثم تُمرَّر إلى الوحدة الخلفيّة المُضخِّمة ومُخفِّضةِ التردّد قبل اكتشافها بالقانون التربيعي. جميع المقاييس — ما عدا قناة 30 GHz — تلتقط \(Q\) و\(U\) تزامنيًّا باستخدام مُهجِّن 180° ومكاشِفَيْن إضافيَّيْن. يُقسَّم نطاق الأجهزة منخفضة التردّد إلى نطاقٍ علويٍّ وسفليّ، فتُصبِح ثماني قنوات لكلّ مقياس استقطاب (انظر الجدول [tab:basic]).

يبني المعهد الفلكي الكناري الوحدة الأماميّة للقنوات منخفضة التردّد باستخدام مضخِّمات 6–20 GHz (تصميم S. Weinreb في Caltech) بربحٍ يقارب 30 dB ودرجة ضوضاء <9 K. تُصنَع وحدة 30 GHz في مانشستر بوِحدة فاراداي (كما في OCRA-F)، وتُنجَز الوحدة الخلفية بواسطة DICOM بالشراكة مع IFCA. يوفِّر التبريد والأنظمة الميكانيكيّة كلٌّ من CMS (جيف جوليان)، وIDOM، والمعهد الفلكي الكناري.

الجهاز الثاني

يُكرَّس هذا الجهاز لعلم أوضاع B الأوليّة ويتألّف من 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz. التصميم هو نسخة مُصغَّرة مُعدَّلة من الآلة الأولى.

مرفق طَرْح المصدر

نسخة مُحدَّثة من مرفق طَرْح المصادر VSA (VSA-SS) (VSA1)، مُطوَّرة في مختبر كافنديش وجامعة مانشستر، سترصد مساهمة المصادر الراديوية عند 30 GHz باستخدام مقياس تداخل ثنائيّ العناصر مع أطباق قطرها 3.7 m وفاصل 9 m. يكفي هذا لطرْح مساهمة المصادر التي يتجاوز تدفّقها الكلّي 300 mJy، لتخفيض بقاياها إلى مستوى إشارة B المتوقّعة لـ \(r=0.1\). نحو 500 مصدرًا يجب متابعتُها في منطقة مسح QUIJOTE، مع حساسيّة تدفّق تقارب 2–3 mJy لكلّ منها.

الاستنتاجات

سيُوفِّر QUIJOTE-CMB بياناتٍ فريدة عن الاستقطاب (السنكروتروني والشاذ) لمجرة درب التبّانة عند التردّدات المنخفضة، ما يُثري تجارب B المستقبليّة. وعلى وجه الخصوص، يُكَمِّل QUIJOTE قياسات مسبار Planck عند تلك التردّدات، وباستخدامها يُمكِن اكتشاف إشارة B الناجمة عن الموجات الثقالية البدائيّة في خريطة 30 GHz إذا كان \(r\geq 0.05\).