BICEP و Keck Array

يُعدّ مشروع BICEP ( التصوير الخلفي للاستقطاب الكوني خارج المجرة ) ومصفوفة كيك سلسلة من التجارب لدراسة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB) ، وقد نُشرت بالقرب من القطب الجنوبي . وهي عبارة عن تلسكوبات مبردة مزودة بمصفوفات من الكواشف الحساسة لترددات متعددة من إشعاع الميكروويف . تهدف هذه التجارب إلى قياس استقطاب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وذلك بهدف رصد إشارات من موجات الجاذبية البدائية التي تنبأت بها نماذج "التضخم البطيء" للتضخم الكوني . وحتى عام 2025، لم يتم رصد الاستقطاب ذي الصلة من موجات الجاذبية البدائية.

شهدت التجارب خمسة أجيال من الأجهزة، تتألف من BICEP1 (أو BICEP اختصارًا )، و BICEP2 ، ومصفوفة كيك ، و BICEP3 ، ومصفوفة BICEP . جمع BICEP1 البيانات من عام 2006 إلى عام 2008، بينما رصد BICEP2 البيانات من عام 2010 إلى عام 2012. بدأت مصفوفة كيك، المكونة من خمسة تلسكوبات، عمليات الرصد في عام 2012، وأصبح BICEP3 يعمل بكامل طاقته منذ مايو 2016. يجري حاليًا بناء مصفوفة BICEP المكونة من أربعة تلسكوبات؛ بدأ أول تلسكوب فيها بجمع البيانات في عام 2019، والثاني في عام 2022. ^{[ 1 ]}

تهدف تجارب BICEP إلى قياس استقطاب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. ^{[ 6 ]} وتحديدًا، تسعى هذه التجارب إلى قياس أنماط B ( المكون الحلزوني ) لاستقطاب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. ^{[ 7 ]} تعمل BICEP من القارة القطبية الجنوبية ، في محطة أموندسن-سكوت للقطب الجنوبي . ^{[ 6 ]} وقد قامت الأجهزة الثلاثة برسم خريطة لنفس الجزء من السماء، حول القطب السماوي الجنوبي . ^{[ 6 ] [ 8 ]}

تشمل المؤسسات المشاركة في الأجهزة المختلفة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك )، وجامعة كارديف ، وجامعة شيكاغو ، ومركز الفيزياء الفلكية التابع لجامعة هارفارد ومؤسسة سميثسونيان ، ومختبر الدفع النفاث ، ومركز الطاقة الذرية في غرينوبل (فرنسا) ، وجامعة مينيسوتا ، وجامعة ستانفورد (جميع التجارب)؛ وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو (BICEP1 وBICEP2)؛ والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، وجامعة كولومبيا البريطانية ، وجامعة تورنتو (BICEP2، ومصفوفة كيك، وBICEP3)؛ وجامعة كيس ويسترن ريزيرف (مصفوفة كيك). ^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

بدأت سلسلة التجارب في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا عام ٢٠٠٢. وبالتعاون مع مختبر الدفع النفاث ، شرع الفيزيائيون أندرو لانج ، وجيمي بوك، وبرايان كيتينج ، وويليام هولتزابل في بناء تلسكوب BICEP1 الذي تم نشره في محطة أموندسن-سكوت بالقطب الجنوبي عام ٢٠٠٥ لرصد استمر ثلاثة مواسم. ^{[ ١٣ ]} مباشرةً بعد نشر BICEP1، بدأ الفريق، الذي ضمّ آنذاك باحثي ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، جون كوفاك وتشاو-لين كو، وغيرهم، العمل على BICEP2. بقي التلسكوب كما هو، ولكن تم إدخال كواشف جديدة في BICEP2 باستخدام تقنية مختلفة تمامًا: لوحة دوائر مطبوعة على المستوى البؤري قادرة على ترشيح ومعالجة وتصوير وقياس الإشعاع من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. تم نشر BICEP2 في القطب الجنوبي في عام 2009 لبدء فترة المراقبة التي استمرت ثلاثة مواسم والتي أسفرت عن اكتشاف استقطاب الوضع B في خلفية الموجات الميكروية الكونية.

تم تركيب أول جهاز BICEP (المعروف أثناء تطويره باسم "تلسكوب روبنسون لخلفية موجات الجاذبية" ولاحقًا باسم "BICEP1") أعلى مختبر القطاع المظلم، بجوار تلسكوب القطب الجنوبي مباشرةً في "القطاع المظلم"، حيث يتم تقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية إلى أدنى حد. ويقع على بعد حوالي كيلومتر واحد من محطة القطب الجنوبي الرئيسية .

تم وصف الجهاز، وهو نموذج أولي للأجهزة المستقبلية، لأول مرة في Keating et al. 2003، ^{[ 17 ]} وبدأ الرصد في يناير 2006 ^{[ 7 ]} واستمر حتى نهاية عام 2008. ^{[ 6 ]}

رصدت هذه التقنية السماء عند ترددين 100 و150  جيجاهرتز (بطول موجي 3  مم و2  مم) بدقة زاوية 1.0 و0.7 درجة . وتضمنت مصفوفة من 98 كاشفًا (50 كاشفًا عند 100  جيجاهرتز و48 كاشفًا عند 150  جيجاهرتز)، حساسة لاستقطاب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. ^{[ 6 ]} ويُشكل زوج من الكواشف بكسلًا واحدًا حساسًا للاستقطاب.

كان جهاز الجيل الثاني هو BICEP2. ^{[ 18 ]} يتميز هذا التلسكوب ذو الفتحة 26 سم بمصفوفة مقياس الإشعاع الحراري المحسّنة بشكل كبير والمكونة من 512 مستشعرًا (256 بكسلًا) تعمل بتردد 150 جيجاهرتز، وقد حل محل جهاز BICEP1 ، وتم استخدامه في الرصد من عام 2010 إلى عام 2012. ^{[ 14 ] [ 19 ]}  

أفادت تقارير في مارس 2014 أن تجربة BICEP2 رصدت أنماط B من موجات الجاذبية في الكون المبكر (المعروفة بموجات الجاذبية البدائية )، وهي نتيجة أعلن عنها الباحثون الرئيسيون الأربعة المشاركون في BICEP2: جون إم. كوفاك من مركز الفيزياء الفلكية بجامعة هارفارد ومؤسسة سميثسونيان ؛ تشاو-لين كو من جامعة ستانفورد ؛ جيمي بوك من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ؛ وكليم برايك من جامعة مينيسوتا . وقد صدر بيان رسمي في 17 مارس 2014 من مركز الفيزياء الفلكية بجامعة هارفارد ومؤسسة سميثسونيان . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 20 ]} وكان الرصد المُبلغ عنه لأنماط B عند مستوى r =0.20 +0.07 −0.05 ، مما يُضعف الفرضية الصفرية ( r = 0 ) عند مستوى 7 سيجما (5.9 σ بعد طرح المقدمة). ^{[ 14 ]}

مع ذلك، في 19 يونيو 2014، أُبلغ عن انخفاض في مستوى الثقة في تأكيد نتائج التضخم الكوني ؛ ^{[ 21 ] [ 22 ]} إذ تحتوي النسخة المقبولة والمراجعة من ورقة الاكتشاف على ملحق يناقش إمكانية إنتاج الإشارة بواسطة الغبار الكوني . ^{[ 14 ]} ونظرًا جزئيًا للقيمة الكبيرة لنسبة الموتر إلى الكمية القياسية، والتي تتعارض مع حدود بيانات بلانك ، ^{[ 23 ]} يعتبر العديد من العلماء هذا التفسير الأكثر ترجيحًا للإشارة المكتشفة. على سبيل المثال، في 5 يونيو 2014، في مؤتمر للجمعية الفلكية الأمريكية ، جادل عالم الفلك ديفيد سبيرجل بأن استقطاب النمط B الذي رصده مرصد BICEP2 قد يكون ناتجًا عن ضوء منبعث من الغبار بين النجوم في مجرتنا درب التبانة . ^{[ 24 ]}

قدمت دراسة أولية نشرها فريق بلانك في سبتمبر 2014، وقُبلت نهائيًا في عام 2016، أدق قياس للغبار حتى ذلك الحين، وخلصت إلى أن إشارة الغبار لها نفس قوة الإشارة التي رصدها مرصد BICEP2. ^{[ 25 ] [ 26 ]} وفي 30 يناير 2015، نُشر تحليل مشترك لبيانات BICEP2 وبلانك ، وأعلنت وكالة الفضاء الأوروبية أن الإشارة تُعزى بالكامل إلى الغبار في مجرة ​​درب التبانة. ^{[ 27 ]}

قام مشروع BICEP2 بدمج بياناته مع بيانات مصفوفة كيك وبلانك في تحليل مشترك. ^{[ 28 ]} وقد حددت دراسة نُشرت في مارس 2015 في مجلة Physical Review Letters حدًا لنسبة الموتر إلى الكمية القياسية عند r < 0.12 .

تشكل قضية BICEP2 موضوع كتاب من تأليف برايان كيتينغ .

بجوار تلسكوب BICEP مباشرةً في مبنى مرصد مارتن أ. بوميرانتز، كان يوجد حامل تلسكوب غير مستخدم كان يشغله سابقًا مقياس التداخل الزاوي ذو الدرجة . ^{[ 29 ]} بُني مصفوفة كيك للاستفادة من حامل التلسكوب الأكبر هذا. مُوِّل هذا المشروع بمبلغ 2.3 مليون دولار من مؤسسة دبليو إم كيك ، بالإضافة إلى تمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم ، ومؤسسة غوردون وبيتي مور ، ومؤسسة جيمس ونيللي كيلروي، ومؤسسة بارزان. ^{[ 7 ]} قاد مشروع مصفوفة كيك في الأصل أندرو لانج . ^{[ 7 ]}

يتكون مصفوفة كيك من خمسة أجهزة قياس الاستقطاب ، كل منها مشابه جدًا لتصميم BICEP2، ولكن باستخدام مبرد أنبوب النبض بدلاً من خزان تخزين كبير للهيليوم السائل المبرد .

بدأت الأجهزة الثلاثة الأولى عمليات الرصد في صيف نصف الكرة الجنوبي 2010-2011؛ ​​وبدأ جهازان آخران عمليات الرصد في عام 2012. رصدت جميع أجهزة الاستقبال عند تردد 150  جيجاهرتز حتى عام 2013، حين تم تحويل اثنين منها للرصد عند تردد 100  جيجاهرتز. ^{[ 15 ]} يتكون كل جهاز قياس استقطاب من تلسكوب انكساري (لتقليل الأخطاء المنهجية) مُبرّد بواسطة أنبوب نبضي إلى 4 كلفن، ومصفوفة بؤرية من 512 مستشعر حافة انتقالية مُبرّدة إلى 250 ملي كلفن، ما يُعطي إجمالي 2560 كاشفًا، أو 1280 بكسلًا ثنائي الاستقطاب. ^{[ 8 ]}

في أكتوبر 2018، أُعلن عن النتائج الأولى من مصفوفة كيك (بالإضافة إلى بيانات BICEP2)، باستخدام عمليات رصد حتى موسم 2015. وقد أسفرت هذه النتائج عن حد أعلى لأنماط B الكونية.${\displaystyle r<0.07}$(مستوى ثقة 95%)، والذي يتقلص إلى${\displaystyle r<0.06}$بالاشتراك مع بيانات بلانك . ^{[ 30 ]}

في أكتوبر 2021، تم الإعلان عن نتائج جديدة${\displaystyle r<0.036}$(بمستوى ثقة 95%) استنادًا إلى موسم رصد BICEP/Keck لعام 2018 بالإضافة إلى بيانات Planck و WMAP . ^{[ 31 ] [ 32 ]}

بعد اكتمال مصفوفة كيك في عام 2012، لم يعد من المجدي اقتصادياً الاستمرار في تشغيل مشروع BICEP2. ومع ذلك، وباستخدام نفس تقنية مصفوفة كيك للتخلص من خزان الهيليوم السائل الكبير ، تم تركيب تلسكوب أكبر بكثير على حامل تلسكوب BICEP الأصلي.

يتألف مرصد BICEP3 من تلسكوب واحد مزود بنفس عدد الكواشف البالغ 2560 كاشفًا (يرصد عند تردد 95  جيجاهرتز) الموجودة في مصفوفة كيك الخماسية، ولكن  بفتحة عدسة قطرها 68 سم، ^{[ 33 ]} مما يوفر ضعف الإنتاجية البصرية لمصفوفة كيك بأكملها تقريبًا. ومن نتائج كبر مستوى البؤرة اتساع مجال الرؤية إلى 28 درجة، ^{[ 34 ]} الأمر الذي يستلزم بالضرورة مسح بعض أجزاء السماء الملوثة بالعناصر الأمامية. تم تركيبه (بالتكوين الأولي) عند القطب في يناير 2015. ^{[ 16 ] [ 35 ]} وجرى تحديثه لموسم صيف نصف الكرة الجنوبي 2015-2016 ليصبح مزودًا بتكوين كامل من 2560 كاشفًا. يُعد BICEP3 أيضًا نموذجًا أوليًا لمصفوفة BICEP. ^{[ 36 ]}

يخلف مصفوفة كيك مصفوفة BICEP، التي تتألف من أربعة تلسكوبات شبيهة بتلسكوب BICEP3 مثبتة على حامل مشترك، وتعمل بترددات 30/40، 95، 150، و220/270 جيجاهرتز. ^{[ 37 ]} بدأ تركيبها بين موسمي الرصد 2017 و2018. وكان من المقرر في الأصل أن يكتمل تركيبها بحلول موسم الرصد 2020. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

وفقًا لموقع المشروع الإلكتروني: "ستقوم مصفوفة BICEP بقياس السماء المستقطبة في خمسة نطاقات ترددية للوصول إلى حساسية قصوى لسعة موجات الجاذبية التضخمية σ(r) < 0.005" و"سيكون هذا القياس اختبارًا حاسمًا لنماذج التضخم البطيء، والتي تتنبأ عمومًا بإشارة موجات الجاذبية فوق 0.01 تقريبًا." ^{[ 38 ]}

يقوم التلسكوب الأول من مصفوفة BICEP، والذي يُطلق عليه اسم BA1، بجمع البيانات عند تردد 30/40 جيجاهرتز منذ عامي 2019/2020. أما التلسكوب الثاني، BA2، الذي يعمل عند تردد 150 جيجاهرتز، فقد تم نشره في عامي 2022/2023. ^{[ 31 ]}

• برنامج BICEP2 الشتوي (2009-2012) ستيفن ريختر (9 فصول شتاء في القطب الجنوبي).
• مبيت الشتاء في كيك (2010-حتى الآن) روبرت شوارتز (12 شتاءً في القطب الجنوبي).