latex
مُلَخَّص
نستعرض الوضع الراهن لتجربة QUIJOTE (Q-U-I JOint TEnerife) لدراسة خلفية الأشعة الكونية الميكروية، وهي تجربة جديدة ستبدأ عملياتها في أوائل عام 2009 في مرصد تييدي، بهدف توصيف استقطاب الخلفية الكونية الميكروية والإشعاعات المجرية وخارج المجرة في النطاق الترددي 10–30 GHz وعلى مقاييس زاويّة واسعة. وستكون QUIJOTE مكملةً هامةً عند الترددات المنخفضة لمهمة PLANCK، وتمتلك الحساسية اللازمة للكشف عن إشارة الموجات الثقالية الأولية إذا كان معامل القوة الكبرى \(r=0.05\).
مُقَدِّمَة
تُعدّ دراسة تباينات خلفية الأشعة الكونية الميكروية إحدى الركائز الأساسية في إطار نموذج الانفجار العظيم. ومع أحدث النتائج من القمر الصناعي WMAP5 والبيانات التي وفرتها التجارب الأرضية مثل (VSA وACBAR وCBI)، أصبح بالإمكان تحديد المعاملات الكونية بدقة تتجاوز 5% (انظر مثلاً Dunkley2008).
ومع ذلك، فإن خلفية الأشعة الكونية الميكروية تحمل معلومات إضافية كثيرة مشفرة في إشارة استقطابها. منذ الكشف الأول عن الاستقطاب بواسطة تجربة (DASIpol)، بدأت تجارب أخرى في قياس طيف القدرة الزاوي للاستقطاب. وعلى الرغم من أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ما تزال منخفضة نسبياً، إلا أن النتائج تتوافق بشكل ممتاز مع تنبؤات نموذج \(\Lambda\)CDM القياسي.
وتنبئ النظرية القياسية بأن الخلفية الكونية الميكروية مستقطبة خطياً بفعل تشتت طومسون خلال عصور إعادة التركيب أو إعادة التأين. ويمكن تحليل موتر الاستقطاب إلى مكونات حقل E (التدرج) وحقل B (الدوران) (ZaldaSeljak07,Kamion97). وبنظرة حفظ التكافؤ، نحصل على ثلاثة أطياف قدرة زاوية لوصف الاستقطاب: TE (الارتباط بين درجة الحرارة وحقل E)، وEE وBB، في حين يجب أن تكون الأطياف TB وEB صفراً.
إذا كانت تقلبات شدة الخلفية ناتجة عن اضطرابات قياسية (تقلبات كثافة فقط)، فمن المتوقع ظهور أوضاع E أولية في الاستقطاب. أما الاضطرابات التنسورية، مثل تلك الناتجة عن موجات ثقالية في الكون المبكر (انظر Polnarev85)، فهي قادرة على توليد أوضاع B أولية على مقاييس زاوية كبيرة. ومن ثم، فإن قياس هذه الأوضاع يوفر وسيلة فريدة لدراسة عصر التضخم بعمق. وبشكل خاص، يُعبر عن مقياس الطاقة \(V\) للتضخم بدلالة معامل \(r\) (نسبة مساهمات التنسور إلى القياسية) كما يلي (Partridge) \[ r = 0.001 \left( \frac{V}{ 10^{16}\ \mathrm{GeV}} \right)^4 \]، حيث يحول الحد الأعلى الحالي \(r \lesssim 0.3\) من بيانات Komatsu08 إلى \(V \lesssim 4 \times 10^{16}\) GeV.
ونظراً للأهمية الكبيرة لاكتشاف الموجات الثقالية الأولية (TaskForce,ESAESO)، ثمة اهتمام واسع بتطوير تجارب أرضية لقياس (أو تقييد) طيف قدرة أوضاع B للاستقطاب. وفي هذا السياق نقدم هنا إحدى هذه الجهود.
تجربة الخلفية الكونية الميكروية QUIJOTE (Q-U-I JOint TEnerife) هي تعاون بين معهد الفلك بجزر الكناري، ومعهد الفيزياء بكانتابريا، وشركة IDOM، وجامعات كانتابريا ومانشستر وكامبريدج، بهدف توصيف استقطاب الخلفية الكونية الميكروية والانبعاثات المجرية وخارج المجرة في نطاق التردد 10–30 GHz وعلى مقاييس زاوية أكبر من درجة واحدة. وللاطلاع على أحدث المستجدات، راجع الموقع الإلكتروني: http://www.iac.es/project/cmb/quijote.
أهداف علمية
لتجربة QUIJOTE–CMB هدفان علميان رئيسيان:
الكشف عن بصمة أوضاع الجاذبية B إذا كانت سعة \(r \ge 0.05\)؛
توفير معلومات أساسية عن استقطاب الانبعاثات الميكروية الشاذة والانبعاث المجرى عند الترددات المنخفضة (10–20 GHz).
لتحقيق هذين الهدفين، نحتاج إلى تغطية مساحة سماوية تبلغ نحو 3,000–10,000 درجة مربعة، مع حساسية تقريبية 3–4 \(\mu\)K لكل شعاع بزاوية درجة واحدة بعد عام من التشغيل بالجهاز المنخفض التردد (11–19 GHz)، وأقل من \(\sim1\) \(\mu\)K لكل شعاع مع الجهاز عند 30 GHz. وعلى الرغم من أن الاستراتيجية النهائية للمسح لا تزال قيد النقاش، فإن الشكل المرجعي يعرض طيف القدرة الزاوي لأوضاع E وB بعد 3 سنوات من التشغيل، بافتراض تغطية سماوية قدرها 5,000 درجة مربعة. في هذه الحالة، تبلغ قيمة ضوضاء خريطة 30 GHz نحو 0.5 \(\mu\)K لكل شعاع. وبالحساسيات الاسمية هذه، ستكون QUIJOTE من أكثر القياسات دقة لاستقطاب الانبعاثات الشاذة والانبعاث المجرى عند 11–19 GHz على مقاييس زاوية درجة. وهذه المعلومات ضرورية لأن أوضاع B أقل سيادة مقارنة بالانبعاث المجري (انظر Tucci). يوضّح الجانب الأيسر من الشكل المرجعي مساهمة الانبعاث المجرى والمصادر الراديوية عند 30 GHz حسب النماذج في Tucci، ما يكمل خرائط Planck عند الترددات المنخفضة، ويساعد في توصيف الانبعاث المجري. وستكون لـQUIJOTE إسهام رئيسي في تقييم مساهمة الانبعاث الميكروي المستقطب الشاذ (Watson,Battistelli).
وباستخدام الخرائط منخفضة التردد، نخطط لتصحيح قناة QUIJOTE عالية التردد (30 GHz) من أجل البحث عن أوضاع B الأولية. وللتوضيح، يعرض الشكل المرجعي بقايا انبعاث التركيب الإشعاعي بعد تصحيح خريطة القناة عالية التردد على مستوى البيكسل، بافتراض قانون قدرة صافٍ لانبعاث التركيب الإشعاعي. وتُناقش هنا أيضاً مسألة المصادر الراديوية في سياق منشأة رصد المصادر.
تفاصيل التجربة
الأساس المرجعي للمشروع
سيجري مشروع QUIJOTE–CMB مراقبةً على خمس ترددات: 11، 13، 17، 19 و30 GHz، بدقة زاوية تقريبية \(\sim1\) درجة. ويُدشَّن الموقع في مرصد تييدي (الارتفاع 2400 م) في تينيريفي (إسبانيا)، وهو نفس الموقع الذي احتضن تجارب Tenerife وCOSMOSOMAS وVSA وتجربة التداخل الراديوي JBO-IAC.
يتألف المشروع من مرحلتين. المرحلة الأولى، الممولة حالياً، تشمل بناء تلسكوب أولي وزراعين بؤريين قابلين للتبديل. يحتوي الجهاز الأول على عدة قنوات تغطي 11–19 GHz إضافةً إلى بيكسل واحد عند 30 GHz، ومن المتوقع أن يبدأ المراقبة مطلع عام 2009. أما الجهاز الثاني فيضم 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz، ومتوقع بدءه بنهاية ذات العام. يلخص الجدول [tab:basic] الخصائص الأساسية لكل منهما1. ويُحسب دقّة درجة الحرارة لكل شعاع بواسطة \[ \Delta Q = \Delta U = \sqrt{2}\;\frac{T_{\rm sys}}{\sqrt{\Delta \nu\, t\, N_{\rm chan}}} \] حيث \(N_{\rm chan}\) عدد القنوات، \(\Delta \nu\) النطاق الترددي، و\(T_{\rm sys}\) درجة حرارة النظام. وتشمل المرحلة الأولى أيضاً منشأة رصد المصادر لتصحيح مساهمة المصادر الراديوية المستقطبة في الخرائط النهائية. ويستهدف الجدول الزمني تحقيق الهدف العلمي الرئيسي (\(r=0.1\)) بحلول نهاية عام 2011، و\(r=0.05\) بحلول عام 2015.
أخيراً، المرحلة الثانية (غير الممولة بعد) تتضمن بناء تلسكوب ثانٍ مطابق وجهاز ثالث يضم 30 مقياس استقطاب عند 40 GHz.
التلسكوب والغلاف
يعتمد تلسكوب QUIJOTE–CMB على تصميم دراغوني متقاطع، حيث يبلغ قطر العاكس الأول 3 m والعاكس الثانوي 2.6 m. وقد صُمم النظام ليكون غير مضاء بالكامل بهدف تقليل الحزم الجانبية وتسرب الإشارة من الأرض، إضافةً إلى حاجز امتصاصي أسطواني حول البصريات لخفض التسرب.
وتحمل المرايا انحرافات قصوى تبلغ 20 \(\mu\)m عند تشغيل حتى 90 GHz، مع انحراف إجمالي لا يتجاوز \(d=100\) \(\mu\)m.
ويُركّب النظام على منصة دوّارة حول محور عمودي بسرعة 0.25 Hz، ويستخدم مفهوم الارتفاع-السمتي بحيث يمكنه الإشارة إلى أي مكان في السماء بزاوية ارتفاع فوق الأفق أكبر من \(30^\circ\).
الجهاز الأول
يتكون هذا الجهاز متعدد القنوات من خمسة مقاييس استقطاب مستقلة (خمسة بيكسلات): اثنان عند 10–14 GHz، واثنان عند 16–20 GHz، وجهاز مركزي واحد عند 30 GHz. ويهدف أساساً إلى توصيف الإشعاع المجري. ويتألف النظام البصري من خمسة قرون تغذية مخروطية مموجة (مصممة في جامعة مانشستر) تتجه نحو نظام عاكس دراغوني مزدوج متقاطع، ما يحقق عزلاً عبر الاستقطاب ≤ \(-35\) dB وأشعة متماثلة. ويغذي كل قرن مُشغّل استقطاب دائري مبرد يمكنه الدوران حتى 40 Hz (انظر الشكل [fig:first])، ما يكفي لموازنة ضوضاء 1/f في المكبرات المنخفضة التردد (توليد تعديل استقطابي بمعدل أربعة أضعاف سرعة الدوران، أي 160 Hz). وتحتوي وحدة النهاية الأمامية للقناة عند 30 GHz على مبدل طور إضافي لتعزيز الاستقرار. وتُفرَّق الإشارات الاستقطابية الخطية المتعامدة عبر محول وضع بارد عريض النطاق قبل التضخيم في مكبرين متماثلين (Faraday module في حالة 30 GHz). ثم تُغذى إلى وحدة النهاية الخلفية عند درجة حرارة الغرفة للتضخيم والفلترة والاكتشاف باستخدام مكشافات قانون المربع. وباستثناء مستقبل 30 GHz، تدعم بقية المقاييس الاكتشاف المتزامن لـ«Q» و«U» عبر هجين 180° ومكشافين إضافيين. كما تنقسم ممرات النطاق للقنوات المنخفضة إلى نطاق علوي وسفلي، بما يعطي 8 قنوات لكل بيكسل (انظر الجدول [tab:basic]).
طورت IAC وحدة النهاية الأمامية للقنوات المنخفضة باستخدام مكبرات صوت MMIC 6–20 GHz (تصميم S. Weinreb وإنتاج Caltech)، بربح ~30 dB ودرجة ضوضاء أقل من 9 K عبر النطاق. وطُوّرت وحدة النهاية الأمامية لـ30 GHz في جامعة مانشستر باستخدام وحدة فاراداي مثل OCRA-F2. أما وحدة النهاية الخلفية لـ30 GHz فطوّرتها DICOM بالتعاون مع IFCA. ووفرت CMS3 (Jeff Julian)، IDOM وIAC الأنظمة الكريوجينية والميكانيكية.
الجهاز الثاني
سيخصص هذا الجهاز لدراسة أوضاع B الأولية، ويتألف من 19 مقياس استقطاب عند 30 GHz. ويعتمد التصميم المفاهيمي على نسخة مضغوطة من الجهاز الأول.
منشأة رصد المصادر
تم ترقية نسخة من منشأة رصد VSA (VSA-SS) (VSA1) بواسطة مختبر كافنديش وجامعة مانشستر لاستخدامها في مراقبة مساهمة المصادر الراديوية في خرائط QUIJOTE. وتعمل VSA-SS كمقياس تداخل ثنائي العناصر عند 30 GHz، بأطباق قطرها 3.7 m وفاصل 9 m. وقد قدّرنا أنه عند 30 GHz يكفي تصحيح المصادر ذات الفيض الكلي أعلى من 300 mJy لجعل مساهمة الباقي مساوية أو أقل من إشارة وضع B المتوقعة لـ\(r=0.1\). وفي هذه الحالة، يجب رصد حوالي 500 مصدر في المنطقة الممسوحة. وتُقدر حساسية التدفق لكل مصدر بحوالي 2–3 mJy.
الاستنتاجات
سيوفر QUIJOTE–CMB معلومات فريدة عن الانبعاث الاستقطابي (التركيب الإشعاعي والشاذ) لمجرتنا عند الترددات المنخفضة، وما له من قيمة عالية لتجارب أوضاع B المستقبلية. وعلى وجه الخصوص، سيكمل QUIJOTE بيانات Planck عند الترددات المنخفضة، وباستخدام هذه المعلومات سيتمكن من الكشف عن إشارة وضع B الناتجة عن الموجات الثقالية الأولية في خريطة قناة 30 GHz إذا كان \(r \ge 0.05\).