سينثيا شيانغ أرادت دائمًا العمل بيديها. على الرغم من أن الأمر قد يبدو غير بديهي، إلا أنه هو ما قادها إلى مجال علم الكونيات الرصدي المجرد إلى حد ما: دراسة أصل الكون وتطوره من خلال جمع البيانات عن السنوات الأولى للكون.

بدأت رحلتها في هذا العمل عندما كانت تتقدم إلى كلية الدراسات العليا وقامت بفحص مختبر في الطابق السفلي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. وقالت: "دخلت ورأيت كل هذه المعدات الفراغية وكل أجهزة التبريد الممتعة هذه، وفي جزء من الثانية، قلت: نعم، هذا ما أريد أن أفعله عندما أكبر". "أعتقد أن لدي سجل حافل في اتخاذ قرارات متهورة وغير مستنيرة. ولكن هذا كان قرارا عظيما."

بعد حصولها على درجة الدكتوراه، حصلت على زمالة ديكي في جامعة برينستون، حيث بدأت دراسة الخلفية الكونية الميكروية (CMB) - الإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير - كجزء من الفريق العلمي لتلسكوب بلانك. لكن تجارب CMB (وفرقها) كانت تتزايد، وأرادت تشيانج دراسة شيء يسمح لها ببناء أداة بمفردها.

بينما كانت تشيانج تكتشف ما يجب فعله بحياتها مرة أخرى، أمضت عامًا في القطب الجنوبي كواحدة من العلماء الذين "قضوا فصل الشتاء" في تلسكوب القطب الجنوبي. وأثناء وجودها هناك، تم افتتاح موقع في جنوب أفريقيا، حيث سيتم قريبًا بناء تلسكوب راديوي بمصفوفة الكيلومتر المربع. لقد تمحورت من الموجات الميكروية الكونية إلى موجات الراديو الكونية. قالت: "لقد انتهى طول موجي واحد". "ما مدى صعوبة الأمر؟"

واليوم، بصفتها أستاذًا مشاركًا للفيزياء في جامعة ماكجيل، تقوم ببناء ونشر وتشغيل أدوات يمكنها اكتشاف إشارات الراديو من العصور المحورية في الكون المبكر - العصور المظلمة والفجر الكوني. الأول هو زمن قديم عندما كان الكون مجرد بحر من غاز الهيدروجين المحايد؛ الأخير في وقت لاحق قليلاً عندما تم تشغيل النجوم الأولى. إن التقاط الضوء من شروق الشمس الكوني الأول، والظلام حتى قبل ذلك الفجر، أمر صعب للغاية لدرجة أن تشيانج وزملائها يجب أن يذهبوا إلى أقاصي الأرض ليكون لديهم أمل في فصل إشاراتهم عن بقية الكون المزدحم. (ينظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي ومرآته متعددة الأوجه أيضًا نحو هذه الأوقات المبكرة، في محاولة لرؤية أقدم ضوء نجمي).

حتى الآن، لم ير العلماء سوى القليل من العصور المظلمة، وربما رأى فريق واحد فقط - يُدعى EDGES - إشارات للفجر الكوني. ومع ذلك، فإن نتائجها تتطلب تأكيدًا أو دحضًا من أداة مختلفة.

أداة مثل تلك التي يعمل عليها تشيانغ.

وفاء لجذورها، تستخدم شيانغ الأدوات اليدوية لفريقها لرؤية هذه العصور الكونية القديمة. وقالت: "إن الأهداف العلمية بشكل عام هي هذه الأسئلة الكبيرة حول كيفية عمل الكون وما هو مصيره". لكن التجارب يمكن أن تكون على نطاق صغير، إن لم تكن بسيطة تمامًا.

كوانتا تحدثت مع تشيانغ عن الماضي البعيد للكون، والصعوبة التي يواجهها العلماء في السفر عبر الزمن هناك، وعمل فريقها في أماكن نائية، ولماذا تعتبر الألغاز أفضل جزء من العلم. تم تكثيف المقابلة وتحريرها من أجل الوضوح.

ما هي أفضل وأسوأ فترات عامك في القطب الجنوبي؟

منذ اللحظة التي وطأت فيها قدمي القارة، شعرت وكأنني عدت إلى منزلي.

الأضواء الجنوبية هائلة. من الممكن أن تمر بأسوأ يوم في العالم، ولكن التلسكوب يقع على بعد 15 دقيقة سيرًا على الأقدام من المحطة الرئيسية. بمجرد أن أغلقت باب الفريزر خلفي ولم يعد هناك سوى الظلام والأضواء الجنوبية بالخارج، أصبح كل شيء على ما يرام. هذا العرض الخفيف مخصص لك فقط.

أنا أيضًا أحب المجتمع هناك حقًا. الأشخاص العشوائيون لا ينتهي بهم الأمر هناك عن طريق الصدفة. يطبق القطب الجنوبي مرشح تمرير نطاق ضيق جدًا.

عند الحديث عن المرشحات الضيقة، يتضمن علم الكونيات الخاص بك البحث عن طول موجة راديوية محدد يسمى خط 21 سنتيمترًا. ما هذا؟

وخط الـ 21 سنتيمترًا هو انبعاث راديوي طبيعي يأتي من ذرات الهيدروجين، وهي العنصر الأكثر وفرة في الكون. يمكنك أن تفكر في الكون على أنه مليء بكل هذا الغاز المتوهج بلون معين أو طول موجي معين. ولكن، مثل بقية الكون، فإن غاز الهيدروجين يتحرك بعيدًا. تعمل هذه الحركة على تمديد الضوء وتجعل طوله الموجي أطول. نحن نعرف ما هو التوهج الطبيعي للهيدروجين - أو اللون - لذلك نعرف متى يتحول إلى ألوان مختلفة بسبب مدى سرعة تحرك الهيدروجين بعيدًا عنا. أو ما يعادله، والأهم من ذلك بالنسبة لهذه التجارب، هو مدى بعده.

بعد ذلك، يمكنك بناء تلسكوب واستهداف لون معين لهذا الانبعاث البالغ طوله 21 سنتيمترًا، وهو شيء يحدد حقبة معينة في تاريخ الكون، مثل العصور المظلمة الكونية.

فقط عن طريق ضبط التلسكوب الخاص بك على الطول الموجي الصحيح، يمكنك ضبط أي جزء من تاريخ الكون.

إنها مثل آلة الزمن الكهرومغناطيسية.

أساسًا.

إذن، بعد الانفجار الكبير، كيف تقدم الكون في أجزاء من تاريخه نسميها العصور المظلمة والفجر الكوني؟

مباشرة بعد الانفجار الكبير، كان الكون شديد الحرارة والكثافة، وكان عبارة عن حساء من الجسيمات.

وبتقدم سريع، ومع توسع الكون، يبرد، ويصبح في النهاية باردًا بدرجة كافية لتكوين ذرات الهيدروجين المحايدة الأولى. وعند تلك النقطة، يصبح الكون مظلمًا. وممل جدا. لأنه لا يوجد سوى الغاز، وأغلبه هيدروجين. تلك هي العصور المظلمة

لكن ضمن هذا الحمام الغازي، تكون بعض المناطق الصغيرة أكثر كثافة قليلاً من البقية، وتبدأ المناطق شديدة الكثافة في الانهيار تحت تأثير الجاذبية. في مرحلة ما، هناك ما يكفي من المادة التي تنهار بحيث تبدأ النجوم الأولى في التشكل. تُعرف ولادة تلك النجوم الأولى باسم "الفجر الكوني"، وهي مختلفة تمامًا عن النجوم التي اعتدنا رؤيتها اليوم. نحن نحاول أن نعرف بالضبط كيف تطورت هذه الأجسام وأصبحت تدريجيًا أشبه بنجوم اليوم.

كيف ترى هذه الأعمار في تجاربك الإذاعية؟

وفي خط الـ 21 سنتيمترًا، يجب أن تكون هناك ميزة امتصاص صغيرة - وهو تراجع في التوهج - مرتبطة بالعصور المظلمة. يجب أن ترتبط الميزة الحادة الأكبر بالفجر الكوني.

كيف بدأ الناس في قياس تلك الإشارات منذ الفجر؟ وما الذي يود علماء الكونيات استخلاصه منهم؟

قامت تجربتان فقط حتى الآن بإجراء قياسات لهذه الفترة. أحدهما هو EDGES، الذي يقيس درجة حرارة السماء بترددات مختلفة. إنه مثل أخذ راديو سيارتك وضبطه على جميع المحطات في نفس الوقت والاستماع إلى كل ما يتم بثه.

تبحث EDGES عن انخفاض طفيف في تلك الإشارة التي تشير إلى تشغيل تلك النجوم الأولى. لذا، في تشبيه راديو السيارة، ستستمع للكهرباء الساكنة في جميع المحطات، وعدد قليل من المحطات الأكثر هدوءًا في المنتصف.

فريق إيدجيز يعتقد أنهم اكتشفوا هذا الانخفاض في بياناتهم. إذا كان هذا صحيحًا، فهذه هي لمحة الأولى والوحيدة للفجر الكوني. إذا اكتشفنا أن إشارة EDGES حقيقية، فيمكننا الذهاب إلى المدينة - فقد تكون هناك فيزياء جديدة هناك. ولكن يمكن أن يكون له تأثير فعال، وقد أجرت تجربة أخرى، SARAS 3، قياسًا مشابهًا جدًا لم ير شيئا.

من السهل أن تخدع نفسك وتظن أنك ترى شيئًا حقيقيًا، في حين أنه قد يكون مجرد كابل مفكك على سبيل المثال. نحتاج إلى تجارب أخرى لتقييمها. نظرًا لأن هذه البيانات هي كل ما لدينا من العصر الكوني، ولسنا متأكدين من كيفية تفسيرها بعد، فإننا لا نعرف الكثير على الإطلاق عن ذلك الوقت.

لقد صادف أنك قمت بإجراء مثل هذه التجربة: PRIZM، والتي تعني "اختبار كثافة الراديو عند منطقة Z العالية من ماريون". ما هي القصة الأصلية لهذا المشروع؟

هذه رحلة برية. يعد جهاز PRIZM بمثابة خليفة لتجربة قديمة كانت بحاجة إلى موقع جديد في عام 2015 تقريبًا. في نفس الوقت، كنت أنا وزميلي جون سيفيرز نحلق حول جنوب أفريقيا، وقرأنا مجلة على متن الطائرة تصف هذا المكان المسمى جزيرة ماريون، في مكان مجهول في جنوب المحيط الهندي. بدا الأمر بعيدًا جدًا: على بعد 2,000 كيلومتر من أي شيء. اعتقدنا أن هذا يجب أن يكون هادئًا جدًا، وليس هناك الكثير من التداخل من إشارات الراديو التي يصنعها الإنسان. كانت هناك قاعدة بحثية وبعض البنية التحتية هناك.

لقد حصلنا على التمويل لإرسال التجربة. بعد تلك السنة الأولى، قمنا بإعادة بناء الأداة بالكامل وأعدنا تجسيدها باسم PRIZM.

إذًا كيف يعمل جهاز بريزم؟

يحتوي جهاز PRIZM على هوائيين مستقلين يراقبان في نفس الوقت، أحدهما يتمركز عند 70 ميجا هرتز والآخر عند 100 ميجا هرتز، وهما ترددات راديو منخفضة حقًا حيث تتوقع رؤية ضوء راديو ممتد للغاية من الأجزاء المبكرة من الكون، و النجوم الأولى تتحول.

إذا رأينا أي ميزات غريبة في بياناتنا، وإذا تبين أنها شيء ناتج عن أداتنا وليس من الفضاء، فإننا نتوقع أن يتغير ترددها بين هاتين الأداتين. ولكن إذا كان شيئًا حقيقيًا في السماء، فيجب أن يكون متسقًا بين الاثنين.

كيف تبدو النتائج حتى الآن؟

البيانات نظيفة بشكل جميل، ولدينا الكثير في متناول اليد. ماريون بعيدة بما فيه الكفاية عن البر الرئيسي لدرجة أننا لا نرى راديو FM، الذي يتعارض تردده مع إشارة الفجر الكوني.

ولكن لا يزال أمامنا الكثير من الواجبات المنزلية لنقوم به لفهم جميع خصوصيات هذه الآلة.

وقد تجاوزت هوائيات PRIZM عمرها الافتراضي. لقد تعرضوا للضرب على ماريون لمدة خمس سنوات، لذا فهم في حالة صعبة. لقد أنهينا التجربة، وأحتاج إلى بناء شيء جديد.

كيف تبدو جزيرة ماريون؟

انه سحر. إنها واحدة من أجمل الأماكن التي عملت فيها على الإطلاق. وهو أيضًا الأصعب. والقطب الجنوبي يتضاءل بالمقارنة. الجو عاصف وممطر، أعلى بقليل من درجة التجمد. هناك رذاذ الملح، لذلك تأكل ماريون المعدن على الإفطار. الحصول على أي شيء للبقاء على قيد الحياة هناك أمر صعب للغاية.

قمنا بإعداد هوائيات PRIZM الخاصة بنا على بعد حوالي أربعة كيلومترات من القاعدة الرئيسية، أي مسافة ساعة من العمل وإليه، عبر تضاريس غير متسامحة بشكل خاص. هناك مستنقعات، هناك صخور الحمم البركانية. لكن الأمر يستحق ذلك.

وفي نفس الجزيرة، كان لديك تجربة أخرى، تسمى الباتروس، والتي درست العصور المظلمة. كيف بدأت تلك التجربة؟

بعد أن قمنا بتثبيت PRIZM، أدركنا أن ماريون هي مكان رائع لعلم الفلك منخفض التردد. ماذا يمكننا أن نفعل هنا؟ الجزء الآخر من المنطقة غير المستكشفة تمامًا هو العصور المظلمة، والتي تظهر عند ترددات 30 ميجا هرتز أو أقل.

يجب أن تكون قادرًا على قياس التقلبات في تلك الإشارة التي من شأنها أن تمنحك معلومات حول أصول الكون أكثر مما حصلنا عليه من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. إن CMB ثنائي الأبعاد لأنه تم إنشاؤه بسرعة كبيرة، في حين استمرت العصور المظلمة لفترة طويلة، ويمكن أن تمنحك ملاحظاتها رؤية ثلاثية الأبعاد لما كان يحدث، منذ مليارات السنين. هذا حلم عمره 50 عامًا.

أين الحلم الآن؟ ماذا لاحظ العلماء بالفعل عن العصور المظلمة؟

لا شيء في الأساس. أدنى الترددات التي تم قياسها حتى الآن هي حوالي 2 ميغاهيرتز أو نحو ذلك، في بيانات من السبعينيات. ولا يزال هذا هو أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا بعد مرور 70 عامًا. ما زلنا هناك. عند الترددات المنخفضة، يبدأ الغلاف الأيوني ويعترض الطريق.

قبل أن نتضرع للحصول على علم الكونيات، نحتاج إلى معرفة كيف تبدو مجرة ​​درب التبانة، الفوضى الموجودة في مقدمتنا، عند هذه الترددات ومن ثم طرحها. أنت بحاجة إلى مقياس تداخل لتحقيق ذلك، وهو عبارة عن هوائيات متعددة تعمل معًا كأداة موحدة كبيرة. كلما كانت المصفوفة أكبر، كانت الدقة أدق.

كانت ماريون مكانًا مثاليًا لبدء هذا المشروع لأنه تمكنا من توزيع الهوائيات في جميع أنحاء الجزيرة بأكملها، كما توجد أكواخ على طول المحيط، وهي أماكن مناسبة جدًا لإقامة قواعد العمليات. كانت تلك هي الخطة الأصلية. بدأنا في تركيب نموذجين أوليين للهوائيات لنرى كيف سارت الأمور.

لقد قلت "الخطة الأصلية".

وفي منتصف المشروع، انتقلت من جنوب أفريقيا إلى كندا، إلى جامعة ماكجيل. أول شيء فعلته هو محاولة العثور على مكان هادئ بالقرب من مونتريال. واتضح أن القطب الشمالي منطقة استثنائية، وكان لدى ماكجيل محطة أبحاث في تلك المنطقة. نحن نقوم بإعداد مجموعة ALBATROS أخرى هناك، وتمكنا أخيرًا من العودة العام الماضي وتثبيت أول محطتين مستقلتين لدينا بعد أن ظللنا في أيدينا لمدة عامين بسبب جائحة كوفيد.

أراهن أن ذلك لم يكن سهلاً. هل لديك أي حكايات مفضلة من وقتك في الأماكن النائية على الأرض؟

أسوأ شيء في ماريون هو حماية كل شيء من الفئران. وهذا ليس شيئًا كنت مستعدًا له كفيزيائي تجريبي.

اكتشفنا أن القماش الشبكي المعدني يطرد القوارض، لذلك قمنا بلف جميع كابلاتنا به.

قبل أن نبدأ تمرين تغليف الكابلات، أخذت بعضًا من الشبكة السلكية وصنعت منها كيسًا صغيرًا، ووضعت بداخلها قطعة من الكعك وتركتها طوال الليل. في اليوم التالي، رأيت علامات مضغ وكأن الفئران حاولت الدخول، لكن الكعكة كانت سليمة. فقلت لنفسي: "حسنًا، ستكون أجهزتنا الإلكترونية آمنة."

 إلى أي مدى كان علينا أن نفكر في البشر مقابل الحياة البرية عند إعداد أدواتنا - لقد خصصت عددًا أكبر من دورات وحدة المعالجة المركزية لذلك مما كنت أتوقعه.

في القطب الشمالي، هناك قارضات صغيرة مثل القوارض، ولكن هناك أيضًا قارضات كبيرة ذات أنياب، مثل الذئاب والثعالب. طرق على الخشب، لم نواجه أية كوارث كبرى بعد، لكنني أعتقد أنها مسألة وقت فقط.

قبل أن يأخذ الذئب هوائيًا كاملاً إلى المنزل؟

سيكون ذلك ثور المسك.

ما الذي يحفزك لدراسة هذه الأجزاء من تاريخ الكون؟

أحب أن هناك أسرار في الكون.

أنا أحب الجانب اليومي. عندما لا أفكر في ألغاز الكون، أفكر في كيفية جعل أدواتنا حية وكيفية منع ثور المسك من إسقاط هوائياتنا.