يتسبب تأثير سونيايف – زيلدوفيتش في حدوث تغيير في السطوع الظاهري لإشعاع الخلفية الكونية الميكروويف تجاه مجموعة من المجرات أو أي خزان آخر للبلازما الساخنة، حيث توفر قياسات التأثير معلومات مختلفة بشكل واضح عن خصائص الكتلة عن بيانات التصوير بالأشعة السينية، بينما يؤدي الجمع بين بيانات تأثير الأشعة السينية وبيانات تأثير تأثير سونيايف – زيلدوفيتش إلى رؤى جديدة في هياكل الأغلفة الجوية العنقودية، إن التأثير مستقل عن الانزياح الأحمر، وبالتالي يوفر مسبارًا فريدًا لهيكل الكون على المقاييس الأكبر.

 

ما هو تأثير سونيايف – زيلدوفيتش في فيزياء الكم

 

لفهم كيفية عمل تشتت كومبتون من المفيد فهم بعض الأساسيات حول موجات الراديو من خلال تأثير سونيايف – زيلدوفيتش، حيث إن الراديو والضوء هما نفس الشيء، حيث أن الإشعاع الكهرومغناطيسي وموجات الراديو ببساطة لها طول موجي أطول من الضوء.

 

كلاهما يأتي في حزم تسمى الفوتونات، وكان أحد التطورات العظيمة للفيزياء الحديثة في وقت سابق من هذا القرن هو إدراك أن الفوتونات يمكن أن تتصرف مثل الأمواج وتشبه الجسيمات في نفس الوقت.

 

poolballs.gif

 

في هذه الحالة فإن أسهل طريقة لفهم تشتت كومبتون هي تصور الفوتون كجسيم من الضوء، فعندما تطير الفوتونات من الخلفية الكونية الميكروية عبر الغلاف الجوي لعنقود مجري، فإنها تصطدم بالإلكترونات في الغاز الساخن.

 

وما يحدث بعد ذلك إنها تشبه لعبة البلياردو، فعندما تصطدم كرة بلياردو بأخرى فإنها غالبًا ما تنحرف بعيدًا في اتجاهات غير متوقعة تبدو عشوائية اعتمادًا على مهارة المرء كلاعب بلياردو، ويمكن للكرتين تبادل الطاقة، وقد تصبح الكرة التي تتحرك ببطء قبل الاصطدام أسرع الكرة بعد ذلك كل هذا يتوقف على التفاصيل الدقيقة للتصادم.

 

photonballs.gif

 

يحدث الشيء نفسه عندما يمر فوتون عبر الغلاف الجوي العنقودي، ويتمتع الفوتون بفرصة جيدة للتصادم مع الإلكترونات ممثلة برمز e في الرسم التخطيطي على اليمين، إن الجسيمان يضربان ويرتدان في اتجاهات عشوائية جديدة، وقد يكتسب الفوتون طاقة أو يفقدها، مرة أخرى اعتمادًا على تفاصيل الاصطدام،  وتسمى هذه الاصطدامات بين الفوتونات والإلكترونات بـ تشتت كومبتون.

 

إن تأثير نثر كومبتون ضئيل جدًا حقًا، حيث يستخدم العالمان (Carlstrom و Joy) مقاييس التداخل الراديوية لمراقبة الفوتونات ذات الأطوال الموجية القريبة من سنتيمتر واحد، عندما يمر مثل هذا الفوتون عبر الغلاف الجوي العنقودي فإن كسبه النموذجي للطاقة بسبب تشتت كومبتون يكون ضئيلاً بنسبة 0.05٪.

 

ومع ذلك فإن هذا التغيير الضئيل مهم، وعندما يوجه (Carlstrom و Joy) مقياس التداخل الراديوي الخاص بهما في اتجاه مجموعة مجرية يرون عجزًا في فوتونات (CMBR)، حيث تم تحويل الفوتونات المفقودة في المتوسط إلى طاقة أعلى بواسطة تشتت كومبتون.

 

szed.gif

ملخص تأثير سونيايف – زيلدوفيتش

تنبأ رشيد صونيايف وياكوف زيلدوفيتش بتأثير سونيايف – زيلدوفيتش لوصف تباين الخواص في (CMB)، ويحدث هذا التأثير بسبب تفاعل (CMB) مع الإلكترونات عالية الطاقة، وتسبب هذه الإلكترونات عالية الطاقة تشتت كومبتون معكوس لفوتونات (CMB)، مما يسبب تشويهًا في طيف إشعاع (CMB)، ويكون تأثير سونيايف – زيلدوفيتش أكثر وضوحًا عند مراقبة الحشود المجرية.

 

أقسام تأثير سونيايف – زيلدوفيتش

 

  • التأثيرات الحرارية: حيث تتفاعل فوتونات CMB مع الإلكترونات ذات الطاقات العالية بسبب درجة حرارتها التأثيرات الحركية بتأثير من الدرجة الثانية، حيث تتفاعل فوتونات (CMB) مع الإلكترونات التي لديها طاقات عالية بسبب حركتها الضخمة.

 

  • الاستقطاب: يوضح الاستقطاب أن تأثير سونيايف – زيلدوفيتش له أهمية كبيرة في الفيزياء الفلكية والكونية، ويمكن أن يساعد في تحديد قيمة ثابت هابل وتحديد موقع مجموعات المجرات الجديدة وفي دراسة بنية الكتلة والكتلة، ونظرًا لأن تأثير سونيايف – زيلدوفيتش هو تأثير تشتت، فإن حجمه مستقل عن الانزياح الأحمر، مما يعني أنه يمكن اكتشاف المجموعات ذات الانزياح الأحمر العالي بنفس سهولة اكتشاف المجموعات ذات الانزياح الأحمر المنخفض.

 

التأثيرات الحرارية في ظاهرة تأثير سونيايف – زيلدوفيتش

 

يُعرف تشوه (CMB) الناتج عن عدد كبير من الإلكترونات عالية الطاقة بتأثير سونيايف – زيلدوفيتش الحراري، ويتم دراسة تأثير سونيايف – زيلدوفيتش الحراري بشكل أكثر شيوعًا في عناقيد المجرات، ومن خلال مقارنة تأثير سونيايف – زيلدوفيتش وبيانات انبعاث الأشعة السينية يمكن دراسة التركيب الحراري للعنقود، وإذا كان ملف تعريف درجة الحرارة معروفًا، فيمكن استخدام بيانات سونيايف- زيلدوفيتش لتحديد الكتلة الباريونية للعنقود على طول الخط مشهد. 
يمكن أيضًا استخدام مقارنة بيانات تأثير سونيايف – زيلدوفيتش والأشعة السينية لتحديد ثابت هابل باستخدام مسافة القطر الزاوي للمجموعة، ويمكن أيضًا قياس هذه التشوهات الحرارية في التجمعات العملاقة وفي الغازات في المجموعة المحلية على الرغم من أنها أقل أهمية وأصعب في الكشف عنها.

 

في التجمعات العملاقة لا يكون التأثير قوياً (<8 μK) ولكن مع وجود معدات دقيقة بما فيه الكفاية يمكن أن يعطي قياس هذا التشوه لمحة عن تكوين هيكل واسع النطاق، وقد تتسبب الغازات في المجموعة المحلية أيضًا في تباين الخواص في CMB بسبب تأثير سونيايف – زيلدوفيتش الحراري الذي يجب أخذه في الاعتبار عند قياس CMB لبعض المقاييس الزاويّة.