تأثير سونيايف-زيلدوفيتشتأثير
في عام 1969، قام الفيزيائيان السوفييتيان رشيد سونيايف وياكوف زيلدوفيتش بدراسة نظرية لتفاعل إشعاع الخلفية الكونية مع الغاز الساخن بين المجرات. تنبآ بأن الإلكترونات الحرة التي تصل حرارتها إلى عشرات الملايين من الدرجات ستبعثر فوتونات الخلفية الكونية الميكروية بشكل عكسي، رافعةً طاقتها. هكذا ينشأ التأثير الحراري لسونيايف-زيلدوفيتش: إنه يعطي طيفًا مميزًا يتغير إشارته عند تردد حوالي 217 جيجاهرتز. أول رصد موثوق للتأثير كان في عام 1983 للتجمع A665. اليوم، يسجل القمر الصناعي 'بلانك' والتلسكوبات الأرضية (SPT و ACT) آلاف التجمعات، بما في ذلك الأبعد، من خلال بصمة سونيايف-زيلدوفيتش الخاصة بها. إذا كان التجمع يتحرك بالنسبة للخلفية الكونية، يضاف تأثير حركي - وهو انزياح بسيط في درجة حرارة السطوع دون تغير في شكل الطيف.
كيف يعمل
يمسح الفلكيون السماء على ترددات متعددة ويستخلصون البصمة الطيفية المميزة للتأثير الحراري لسونيايف-زيلدوفيتش. ونظرًا لأن مقدار التأثير لا يخفت مع المسافة (على عكس السطوع البصري أو السيني)، تسمح الطريقة باكتشاف التجمعات على مسافات هائلة. التأثير الحركي الإضافي، الناتج عن حركة التجمع ككل، يتيح قياس سرعته الشعاعية ومن خلال إحصاءات السرعات تقدير ثابت هابل.
💡 أصبح التجمع الشهير 'الرصاصة' (Bullet Cluster) رمزًا للمادة المظلمة: حيث أظهر تجميع خرائط العدسية التجاذبية والإشعاع السيني وتأثير سونيايف-زيلدوفيتش أن الغاز الساخن (المادة العادية) يتخلف عن الكتلة المتجاذبة، في حين أن إشارة سونيايف-زيلدوفيتش تحدد بوضوح توزيع ضغط الغاز، مؤكدة الصورة.
y = \int \frac{k T_e}{m_e c^2} n_e \sigma_T dl
y — معامل لا بعدي يميز مساهمة التأثير الحراري لسونيايف-زيلدوفيتش؛ k — ثابت بولتزمان (≈ 1.38×10⁻²³ جول/كلفن)؛ T_e — درجة حرارة الإلكترون (كلفن)؛ m_e — كتلة الإلكترون (≈ 9.11×10⁻³¹ كغم)؛ c — سرعة الضوء (≈ 3×10⁸ م/ث)؛ n_e — تركيز الإلكترون (م⁻³)؛ σ_T — مقطع تشتت تومسون (≈ 6.65×10⁻²⁹ م²)؛ dl — عنصر الطول على طول خط الرؤية (م).
\frac{\Delta T}{T_0} = y \left( x \coth\frac{x}{2} - 4 \right)
ΔT — التغير المقاس في درجة حرارة السطوع (كلفن)؛ T_0 ≈ 2.725 كلفن — متوسط درجة حرارة الخلفية الكونية الميكروية؛ y — معامل الكومبتنة؛ x = hν / (k T_0) — تردد لا بعدي؛ ν — تردد الإشعاع (هرتز)؛ h — ثابت بلانك (≈ 6.63×10⁻³⁴ جول·ث)؛ k — ثابت بولتزمان؛ coth — ظل التمام الزائدي.