latex
مُلَخَّص
نستعرض هنا الحالة الراهنة لتجربة QUIJOTE (التعاون Q-U-I JOint Tenerife) لدراسة خلفية الأشعة الكونية الميكروية. تعد هذه الأداة الجديدة، التي ستبدأ عملياتها في أوائل عام 2009 في مرصد Teide، مصممةً لتوصيف استقطاب الخلفية الكونية الميكروية والظواهر الأخرى للإشعاع الكوني والمصادر غير المجرية في نطاق التردد 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية واسعة. ستكون QUIJOTE مكمِّلاً حيوياً عند الترددات المنخفضة لمهمة PLANCK، وستُوفِّر الحساسية اللازمة لاكتشاف المكون البدائي للموجات الثقالية في حال كانت نسبة الإشعاع التنسوري إلى القياسي \(r\geq 0.05\).
مُقَدِّمَة
تُعَدُّ دراسة تباينات خلفية الميكروويف الكونية إحدى الركائز الأساسية لنموذج الانفجار العظيم. مع أحدث نتائج القمر الصناعي Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP5) والمعلومات التي قدمتها التجارب الأرضية مثل Very Small Array (VSA) وArcminute Cosmology Bolometer Array Receiver (ACBAR) وCosmic Background Imager (CBI)، أصبح بالإمكان تحديد المعاملات الكونية بدقة تتجاوز 5% (انظر (Dunkley2008)).
ومع ذلك، تحتوي الخلفية الميكروويفية الكونية على 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 الزاوي للاستقطاب. وعلى الرغم من أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ما زالت منخفضة نسبياً، إلا أن 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 مكونات حقل E (التدرجي) وحقل B (الدوراني) (ZaldaSeljak07,Kamion97). وبفضل تناظر التكافؤ تظهر ثلاثة أطياف قدرة زاوية رئيسية: TE (الارتباط المتقاطع بين الحرارة ووضع E)، وEE، وBB، بينما يجب أن تكون الأطياف TB وEB صفراً.
إذا كانت تقلبات شدة الخلفية الميكروويفية الكونية ناتجة عن تقلبات قياسية (تقلبات كثافة فقط)، فسوف تظهر أوضاع E أولية فقط. لكن الموجات الثقالية في الكون المبكر—أي التقلبات التنسورية—تتنبأ 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 \(r\)، مساهمة التنسور إلى القياسي في طيف القدرة، كما في (Partridge): \[ r = 0.001 \left( \frac{V}{10^{16}\,\mathrm{GeV}} \right)^4 \] الحد الأعلى الحالي \(r\lesssim 0.3\) من بيانات WMAP (Komatsu08) يُرجِم إلى \(V\lesssim 4\times 10^{16}\,\mathrm{GeV}\).
نظراً لأهمية اكتشاف الموجات الثقالية البدائية (TaskForce,ESAESO)، يتنامى الاهتمام بالتجارب الأرضية لقياس أو تقييد طيف قدرة أوضاع B لاستقطاب الخلفية الميكروويفية الكونية.
تجربة QUIJOTE-CMB (اختصاراً لـ Q-U-I JOint TEnerife) هي تعاون علمي بين معهد الفلك في جزر الكناري، معهد فيزياء كانتابريا، شركة IDOM، وجامعات كانتابريا ومانشستر وكامبريدج. تهدف إلى توصيف استقطاب الخلفية الميكروويفية الكونية والانبعاثات المجرية وغير المجرية في نطاق 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية أكبر من درجة واحدة. للمزيد من المعلومات المحدثة راجع http://www.iac.es/project/cmb/quijote.
أهداف علمية
لتجربة QUIJOTE-CMB هدفان علميان رئيسيان:
الكشف عن بصمة أوضاع B التنسورية إذا كانت سعة \(r\geq 0.05\)؛
توفير بيانات أساسية حول استقطاب الإشعاع السنكروتروني والانبعاث الميكروويفي الشاذ للمجرة عند الترددات المنخفضة (10–20 GHz).
لتحقيق ذلك، نحتاج إلى تغطية حوالي 3,000–10,000 درجة مربعة بحساسية تبلغ \(\sim 3\text{–}4\,\mu\mathrm{K}\) لكل شعاع بعرض درجة واحدة بعد عام تشغيل للأداة منخفضة التردد (11–19 GHz)، وأقل من \(\sim 1\,\mu\mathrm{K}\) لكل شعاع للأداة عند 30 GHz. الاستراتيجية النهائية لا تزال قيد النقاش، لكن في الشكل المرجعي fig:goal نقدم سيناريو لتحقيق الهدف العلمي لطيف القدرة الزاوي لأوضاع E وB بعد ثلاث سنوات من التشغيل مع تغطية سماوية قدرها 5,000 درجة مربعة. في هذه الحالة، يبلغ مستوى الضوضاء النهائي لخريطة 30 GHz نحو \(\sim 0.5\,\mu\mathrm{K}/\)شعاع. وفق هذه الحساسية ستقدم QUIJOTE إحدى أرقى القياسات لاستقطاب الإشعاع السنكروتروني والانبعاث الشاذ عند 11–19 GHz على مقاييس زاوية درجة، وهي مهمة لأن 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. مسألة مصادر الراديو تُناقش 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. يُدشّن من مرصد تيدي (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 أيضاً 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. الجدول الزمني يستهدف بلوغ \(r=0.1\) بحلول نهاية 2011، و\(r=0.05\) بحلول 2015.
أمّا المرحلة الثانية (غير الممولة حالياً)، 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 \(\mu\)m وانحراف أقصى \(d=100\) \(\mu\)m.
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 مقاييس استقطاب مستقلة (5 بكسلات سماوية): 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 (\(\leq -35\) 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 استقطاب عند 160 Hz. يشتمل بكسل 30 GHz على تبديل طور إضافي للاستقرار. تُفصل الإشارات الخطية المتعامدة عبر محول الوضع الأرثوذكسي المبرد قبل التضخيم المتماثل، ثم تُمرّر إلى الوحدة الخلفية المضخمة وموضعفة النطاق قبل اكتشافها بالقانون التربيعي. جميع المقاييس ما عدا 30 GHz تكتشف Q وU متزامنين بإشارات مهجنة 180° ومكتشفتين إضافيتين. يُقسم 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
يكرّس هذا الجهاز لعلم أوضاع B الأولية ويتألّف من 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz. التصميم هو نسخة مصغّرة معدّلة من الآلة الأولى.
مرفق طرح المصدر
نسخة محدثة من مرفق طرح المصادر VSA (VSA-SS) (VSA1)، مطورة في مختبر كافنديش وجامعة مانشستر، سترصد مساهمة المصادر الراديوية عند 30 GHz باستعمال مقياس تداخل ثنائي العناصر مع أطباق قطرها 3.7 m وفاصل 9 m. يكفي بهذا تكوين المصادر ذات التدفق الكلي >300 mJy لتخفيض بقايا مساهمتها إلى مستوى إشارة B المتوقعة لـ \(r=0.1\). نحو 500 مصدراً يجب متابعتها في منطقة مسح QUIJOTE، مع حساسية تدفق ~2–3 mJy لكل منها.
الاستنتاجات
سيُوفّر QUIJOTE-CMB بيانات فريدة عن الاستقطاب (السنكروتروني والشاذ) لمجرة درب التبانة عند الترددات المنخفضة، ما يثري تجارب B المستقبلية. على وجه الخصوص، يكمل QUIJOTE قياسات مسبار Planck عند تلك الترددات، وباستخدامها يمكن اكتشاف إشارة B الناتجة عن الموجات الثقالية البدائية في خريطة 30 GHz إذا كان \(r\geq 0.05\).
لاحظ أن تعريف معامل ستوكس يجعل \(Q=T_{\rm x}-T_{\rm y}\).↩