3.13 Mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu: kutoka “negatifi iliyosokotwa na kelele” hadi michoro nyembamba ya njia na mandhari

Nyumbani ／ Sura ya 3: Ulimwengu wa makroskopiki

Tanbihi ya istilahi
Sehemu hii inaunganisha “asili ya negatifi—sababu ya michoro—uandishi upya njiani—mwelekeo katika mizani mikubwa sana—aina mbili za uangavu lengwa (polarization)” ndani ya fremu ya nyuzi–bahari–tenza: katika Ulimwengu wa awali, Chembe zisizothabiti zilizo jumlishwa (GUP) ziliumbika na kuvunjika mfululizo; muda wao wa kuishi uliposongamana uliunda pamoja mandhari ya Mvuto wa tenza wa kitakwimu (STG); kuvunjika/kuangamizwa kwao kulirudisha pakketi dhaifu za mawimbi kwenye kiowevu kama Kelele ya mandharinyuma ya tenza (TBN). Kuanzia sasa, tutatumia majina haya ya Kiswahili kwa ukamilifu pekee. Tunapotaja kwa mara ya kwanza, tutatumia pia Mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu (CMB); baadaye tutatumia jina la Kiswahili pekee.

Dibaji: tunaona nini hasa?

• “Negatifi ya mikrowevu” ya anga yenye takriban 2,7 K ni sare mno lakini si rangi moja: kuna mdundo wa vilele na mabonde (vilele vya akustiki), maelezo ya mizani midogo huzunguka na kulainika (kusawazishwa), na uangavu lengwa hugawanyika kuwa modi E na modi B iliyo dhaifu zaidi. Katika mizani mikubwa ya pembe kuna dalili za mwelekeo (tofauti za nusu-duara, ulinganifu wa multipoli za chini, “doa baridi” n.k.).
• Mistari mitatu mikuu inaonekana: “picha tuli” ya mapema (mandharinyuma na mdundo), usindikaji wa baadaye njiani (lenzi na kioo chenye ukungu), na mandhari ya mizani mikubwa (mwelekeo dhaifu). Muundo wa nyuzi–bahari–tenza huiunganisha kuwa mlolongo mmoja wa kifizikia.

I. Mandharinyuma yatoka wapi: kwa nini kelele ya mandharinyuma ya tenza iligeuka mapema kuwa mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu (utendaji na mizani ya muda)

Kiini kwanza
“Bahari” ya kozmiki mwanzoni ilikuwa nene sana (muunganiko mkali, usambazaji mkali, njia huru ya wastani fupi sana). Katika mzunguko wa “mvuto–usambazaji”, chembe zisizothabiti zilizo jumlishwa ziliingiza nishati mara kwa mara kwenye kiowevu kama pakketi za msongamano za upana mpana na zenye ulinganifu mdogo—yaani kelele ya mandharinyuma ya tenza. Ndani ya “supu iliyounganishwa kwa nguvu” hizi pakketi “zilitiwa weusi” haraka na kuweka mandharinyuma karibu na umbo la mwili mweusi. Ulimwengu ulipoanza kupitisha mwanga, fotoni zilibeba negatifi hii hadi leo.

• Chungu nene: muunganiko mkali—usambazaji mkali
  Migongano ya mara kwa mara kati ya fotoni na dutu yenye chaji hufanya “vipande vya nishati” vimezwe—vitozwe upya—vimezwe tena; tofauti za mwelekeo na awamu hufutika haraka.
• Kutiwa weusi: kurekebisha nishati na “mchanganyiko wa rangi”
  “Mchanganyiko wa rangi” ni mgao wa masafa. Supu iliyounganishwa kwa nguvu huzima mapendeleo ya bendi na kuusukuma wigo kufuata umbo la mwili mweusi; vivuli vya rangi hutoweka, na hupatikana kipimo kimoja cha halijoto.
• Mpangilio wa muda: (t_{\text{weusi}}\ll t_{\text{makro}}\lesssim t_{\text{utenganisho}})
  Kutiwa weusi kunatangulia mageuzi ya makro: mandharinyuma huwekwa kwanza kisha hubadilika polepole; hivyo hubaki thabiti hadi utenganisho.
• Kufunga halijoto: ujazo wa uingizaji huifunga skeli
  Jumla ya nishati kutoka kelele ya mandharinyuma ya tenza huweka halijoto ya mwili mweusi; njia ndogo zinazorekebisha “mchanganyiko wa rangi” zinapoganda moja baada ya nyingine, skeli hufungwa na hupoa pamoja na upanuzi hadi ~2,7 K.
• Baada ya upitishaji: bado karibu na mwili mweusi—vitenzi vya njia visivyo na rangi
  Baada ya kupitisha, athari za njia husogeza uangavu kwa mwelekeo mmoja katika masafa yote (gharama ya “kupanda/kuteremka”), hivyo umbo la mwili mweusi hubaki; hubaki mabadiliko ya kijiometri pekee.
• Chanzo cha usawa wa juu
  Kutiwa weusi kulitokea katika kipindi “chenye unene zaidi”, ambako kubadilishana kwa kasi kulifuta tofauti za mwelekeo. Mikunjo midogo wakati wa utenganisho “ilipigwa picha” na baadaye ikapambwa kidogo tu.

Kwa muhtasari
Kelele ya mandharinyuma ya tenza → kutiwa weusi upesi → mandharinyuma karibu na mwili mweusi yenye skeli moja ya halijoto; hili hueleza “umbo karibu kamili la mwili mweusi” na “usawa wa juu” wa mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu.

II. Michoro ilichongwa vipi: kubanwa–kurudi katika awamu ya muunganiko na dirisha la ulinganifu (ngozi ya ngoma ya akustiki)

1. “Kupumua” kati ya kubanwa na kurudi
   Kiowevu cha fotoni–barioni kilitingishika kati ya mvuto na urudi wa elastiki wa shinikizo, kikazalisha mtikisiko wa akustiki—kama ngozi ya ngoma ukibonyeza upole kisha ukaiachia.
2. Dirisha la ulinganifu na rula sanifu
   Si mizani yote hujumlishwa kwa awamu moja. Baadhi ya urefu wa mawimbi hurindima zaidi na huacha leo nafasi ya mara kwa mara ya kilele–bonde katika vielelezo vya nguvu vya halijoto na uangavu lengwa (rula ya akustiki).
3. Picha tuli katika utenganisho
   Wakati wa utenganisho, “nani yuko kwenye kilele cha kubanwa/bonde la kurudi, kwa ukubwa gani na kwa midundo mingapi” kilinaswa mara moja. Tofauti ya vilele visivyo vya jozi na vya jozi huonyesha “mzigo na mwendo” wa kiowevu (mzigo wa barioni huinua vilele vya kubanwa kwa uwiano).
4. Jinsi ya kusoma mchoro

• Nafasi ya kilele–bonde → kikomo cha kasi ya uenezi na rula ya kijiometri.
• Tofauti ya visivyo vya jozi/jozi → mzigo wa barioni na ufanisi wa kurudi.
• Awamu na ukubwa wa uhusiano wa halijoto–E (TE) huthibitisha kuwa midundo ya akustiki imeandikwa kwa usahihi. Baadaye tutatumia jina la Kiswahili pekee la uhusiano wa halijoto–E.

III. “Lenzi na kioo chenye ukungu” njiani: mandhari hubadili mwelekeo, hufanya laini maelezo na hutoa uvujaji E→B (usindikaji wa njia)

1. Mvuto wa tenza wa kitakwimu: bamba nene la kioo lenye upinde mdogo
   Jumla ya mvuto midogo mingi hufanana na kioo nene chenye upinde hafifu:

• Kulainisha mizani midogo: vilele na mabonde huzunguka; nguvu husogea hadi mizani mikubwa kidogo (michoro ya halijoto/uangavu lengwa “hulainika”).
• Uvujaji E→B: modi E inayotawala huzungushwa njiani na kutoa modi B ndogo.
• Matarajio ya ramani shirikishi: modi B inapaswa kuhusiana vyema na mkusanyiko/kuteleza ((\kappa/\phi)), kwa nguvu zaidi kadri mizani inavyopungua; ujenzi wa lenzi wa pointi nne na kiwango cha ulainishaji wa wigo vinapaswa kuzuia pamoja uga ule ule wa mandhari.

2. Kelele ya mandharinyuma ya tenza: kioo chenye ukungu cha upana mpana
   Katika Ulimwengu wa leo, kelele hii dhaifu sana haibadili umbo la mwili mweusi, lakini hulainisha zaidi kingo za mizani midogo na huongeza kidogo uvujaji E→B. Nguvu yake hufuata kwa udhaifu usambazaji wa miundo hai, bila saini kali ya rangi.
3. Mageuzi ya njia (mwelekeo wa pamoja usio na rangi)
   Kupita katika ujazo mkubwa wa tenza unaobadilika taratibu huzalisha utofauti wa “kuingia–kutoka” unaofanya mstari mzima wa kuona kuwa baridi/joto kwa jumla. Alama kuu ni ukosefu wa rangi (ishara ile ile katika masafa yote), jambo linaloitofautisha na miundo ya mbele iliyo na rangi kama vumbi.

• Mageuzi ya mapema (mpito mionzi–dutu) na ya kuchelewa (kuinuka/kurudi kwa miundo) yote huchangia.
• Inatarajiwa uhusiano chanya lakini dhaifu na vionyesha-njia vya muundo wa mizani mikubwa (mfano ramani ya (\phi), msongamano wa galaksi).

4. “Kioo chepesi chenye ukungu” kutoka reionizesheni
   Elektroni huru wakati wa reionizesheni husawazisha taratibu halijoto katika mizani midogo na hufufua modi E katika pembe kubwa. Sehemu yake yahesabiwe pamoja na za mvuto wa tenza wa kitakwimu na kelele ya mandharinyuma ya tenza.

Orodha ya utambuzi

• Eneo lile lile likihama kwa ishara moja katika bendi kadhaa ⇒ mageuzi ya njia.
• Ulainishaji wa mizani midogo unaoenda sambamba na uga wa mizani mikubwa ⇒ mvuto wa tenza wa kitakwimu hutawala.
• Upanuzi mdogo wa ziada bila rangi dhahiri ⇒ mabaki ya kelele ya mandharinyuma ya tenza.

IV. Muundo wa mizani mikubwa sana na mwelekeo: mwanga wa baadae wa “mipara na korido” za mandhari

• Upendeleo wa mwelekeo
  Kama mipara/korido/mabonde yapo katika mizani iliyo nje ya upeo, multipoli za chini zinaweza kulingana (tofauti za nusu-duara, ulinganifu wa ngazi ya chini). Huu si upotovu holela bali ni projeksheni ya kijiometri ya muundo wa tenza wa juu ya mizani.
• Mihamisho ya “vipande” kama “doa baridi”
  Mstari wa kuona kupitia mandhari mpana inayobadilika unaweza kuonekana baridi/joto kwa jumla. Ulinganishaji mtambuka na Athari ya Sachs–Wolfe iliyounganishwa (ISW), ramani za mkusanyiko au viashiria vya umbali unapaswa kuonyesha mwangwi dhaifu wa ishara moja. Baadaye tutatumia jina la Kiswahili pekee la Athari ya Sachs–Wolfe iliyounganishwa.
• Umbo la mwili mweusi hubaki
  Athari hizi hubadili uangavu na mwelekeo, si “mchanganyiko wa rangi”; kwa hiyo umbo la wigo wa mwili mweusi hubaki thabiti.

V. Aina mbili za uangavu lengwa: E kama msitari mkuu, B hutokana na kupindishwa na uvujaji

1. Modi E (sahani kuu)
   Utofauti-mwelekeo kwenye “ngozi ya ngoma ya akustiki” uliandikwa moja kwa moja katika utenganisho kwa kupitia usambazaji kama mtandao ulio mpangilio wa uangavu lengwa unaoakisi mdundo wa halijoto (uhusiano wa halijoto–E ndio alama yake).
2. Modi B (huzaliwa hasa njiani)
   Mvuto wa tenza wa kitakwimu hubadili njia za modi E na huvujisha sehemu ndogo ya modi B; kelele ya mandharinyuma ya tenza huongeza uvujaji mdogo wa ziada.

• Kwa hiyo modi B ni dhaifu na huhusiana kimkakati na mkusanyiko/kuteleza kwa utegemezi wa skeli.
• Iwapo siku zijazo ziwepo ziada kubwa katika pembe kubwa, inaweza kuashiria mawimbi ya elastiki ya msalaba ya mapema (yanafanana na mawimbi ya graviti), lakini si lazima kueleza modi B inayotazamwa sasa.

VI. Mwongozo wa kusoma ramani (kivitendo): kutoa fizikia kutoka mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu

• Skeli: nafasi ya kilele–bonde ⇒ rula ya akustiki na kikomo cha uenezi.
• Mzigo: tofauti ya vilele visivyo vya jozi/jozi ⇒ mzigo wa barioni na ufanisi wa kurudi; awamu na ukubwa wa uhusiano wa halijoto–E hukagua mdundo.
• Ulainishaji: kadri mizani midogo inavyolainika ⇒ ndivyo mvuto wa tenza wa kitakwimu unavyokuwa “mnene” au kelele ya mandharinyuma ya tenza inavyokuwa kubwa; gawanya “bajeti” pamoja na ramani ya (\phi) na makadirio ya pointi nne.
• Mwelekeo: je, kuna mhimili unaopendelewa/tofauti ya nusu-duara; linganisha na lenzi dhaifu, miondoko ya akustiki ya barioni (BAO) au tofauti ndogo za umbali za supernova. Baadaye tutatumia jina la Kiswahili pekee la miondoko ya akustiki ya barioni.
• Ukosefu wa rangi: mihamisho yenye ishara moja kwenye bendi nyingi ⇒ mageuzi ya njia; ikiwa na rangi ⇒ mbele (vumbi, sinikrotroni, huru–huru).
• Uhusiano B–(\kappa): huongezeka kadri mizani inavyopungua ⇒ kulensi njiani na mvuto wa tenza wa kitakwimu hutawala; baada ya kuondoa lenzi, baki ya B huwekea mipaka kelele ya mandharinyuma ya tenza na/au mawimbi ya elastiki ya msalaba.

VII. Pembeni ya simulizi ya kiada: nini kibaki na nini kimeongezwa (kwa ahadi zinazoweza kuthibitishwa)

1. Kinachobaki

• Awamu ya akustiki iliyo na muunganiko mkali ambayo baadaye “iligandishwa”.
• Uandishi upya wa taratibu baadaye kutokana na kulensi na reionizesheni.

2. Kipya/tofauti

• Asili ya mandharinyuma: mandharinyuma karibu na mwili mweusi hutokana na kutiwa weusi kwa haraka kwa kelele ya mandharinyuma ya tenza—bila vipengele vya ziada vya ajabu.
• Bajeti ya ulainishaji: ulainishaji wa mizani midogo ni jumla ya mvuto wa tenza wa kitakwimu + kelele ya mandharinyuma ya tenza, si “nguvu ya lenzi” moja.
• Makao ya “upotovu”: tofauti za nusu-duara, ulinganifu wa multipoli za chini, na doa baridi ni mwanga wa baadaye wa mandhari ya tenza, na vinapaswa kutoa mwangwi wa ishara moja katika seti nyingi za data.

3. Ahadi zinazothibitishwa

• Ramani moja shirikishi ya mandhari inapaswa kupunguza kwa pamoja mabaki ya kulensi katika mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu na katika lenzi dhaifu ya galaksi.
• Uhusiano wa modi B na mkusanyiko unaimarika kuelekea mizani midogo.
• Mihamisho isiyo na rangi husogea kwa pamoja katika bendi za masafa.
• Katika mwelekeo wa doa baridi kunaonekana miitikio dhaifu ya ishara moja kwenye Athari ya Sachs–Wolfe iliyounganishwa, viashiria vya umbali na mkusanyiko.

VIII. Kutenganisha “mandhari/njia” na “mbele/chombo”

• Isiyo na rangi dhidi ya yenye rangi: isiyo na rangi ⇒ mageuzi ya njia; yenye rangi ⇒ mbele (vumbi, sinikrotroni n.k.).
• Ukaguzi mtambuka B–(\kappa): B ikihusiana vyema na mkusanyiko/kuteleza ⇒ kupindishwa na mvuto wa tenza wa kitakwimu kunaaminika; la sivyo, jihadhari na uvujaji wa uangavu lengwa wa kifaa.
• Kushona bendi nyingi: funga umbo la mandharinyuma kwa “mchoro wa mwili mweusi”; tumia mabaki ya wigo kubaini mipindano ya μ/y na kuweka juu kikomo cha uingizaji wa kuchelewa kutoka kelele ya mandharinyuma ya tenza.
• Ujenzi wa pointi nne/(\phi): maelewano kati ya kiwango cha ulainishaji wa TT/TE/EE na makadirio yasiyo ya Gaussia ⇒ uga ule ule wa mandhari umewekewa mipaka kwa pamoja katika awamu, ukubwa na kuto-Gaussia.

IX. Uthibitishaji na hatua zinazofuata (orodha ya “kukanusha au kuimarisha” katika kiwango cha data)

• P1 | Jaribio la ramani shirikishi: linganisha ulainishaji katika mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu na lenzi dhaifu ya galaksi kwa ramani ile ile ya (\phi/\kappa); mabaki yakipungua kwa pamoja, mvuto wa tenza wa kitakwimu hutawala kulensi.
• P2 | Baki ya wigo wa B baada ya kuondoa lenzi: ikiwa ni ya upana mpana, ulinganifu mdogo na mteremko mpole ⇒ inaunga mkono mchango wa kelele ya mandharinyuma ya tenza; “kibonge” katika pembe kubwa ⇒ huashiria mawimbi ya elastiki ya msalaba ya mapema.
• P3 | Mivukano isiyo na rangi na Athari ya Sachs–Wolfe iliyounganishwa: sifa za pembe kubwa za mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu zinazohama bila rangi sambamba na muundo wa mizani mikubwa/ramani za (\phi) huimarisha tafsiri ya mageuzi ya njia.
• P4 | Mwangwi wa doa baridi katika data nyingi: miitikio dhaifu ya ishara moja kwenye ISW, viashiria vya umbali na mkusanyiko katika mwelekeo huo huo inathibitisha mwanga wa baadaye wa mandhari ya tenza badala ya kelele ya kubahatisha.
• P5 | Mipaka ya mipindano ya μ/y: mipaka mikali zaidi ya wigo kwa μ/y huashiria uingizaji wa kuchelewa dhaifu kutoka kelele ya mandharinyuma ya tenza; vinginevyo, “bajeti” yake inaweza kupimwa.

X. Mfano wa kueleweka: ngozi ya ngoma na kioo chenye ukungu

1. Awamu ya “ngozi ya ngoma”: ngozi imenyoshwa (msongo wa tenza ni mkubwa) na ina matone madogo (msongamano uliodungwa na chembe zisizothabiti zilizo jumlishwa). Msongo na mzigo huzalisha mdundo wa kubanwa–kurudi.
2. Picha tuli: wakati wa utenganisho, “hapo na wakati huo” hunaswa kama picha.
3. Mtazamo kupitia kioo: baadaye unaona negatifi kupitia kioo chenye mawimbi mepesi (mvuto wa tenza wa kitakwimu) na ukungu mwembamba (mabaki ya kelele ya mandharinyuma ya tenza):

• mawimbi huyazungusha michoro,
• ukungu hulainisha kingo,
• kioo kikibadilika taratibu, kipande kizima kinaweza kuonekana baridi/joto bila “mchanganyiko wa rangi” kubadilika.
  Hivyo ndivyo mandharinyuma ya miale ya mikrowevu ya ulimwengu inavyoonekana leo.

XI. Mstari minne ya kiini

• Mandharinyuma kutoka kelele: kelele ya mandharinyuma ya tenza ya mapema ilitiwa weusi haraka kwenye “chungu nene”, ikaweka mandharinyuma karibu na mwili mweusi yenye skeli moja ya halijoto.
• Michoro kutoka mdundo: kubanwa–kurudi katika awamu yenye muunganiko mkali kuliandika mdundo thabiti (vilele–mabonde na modi E).
• “Upasuaji” mwepesi njiani: mvuto wa tenza wa kitakwimu huzungusha michoro na huvujisha E→B; kelele ya mandharinyuma ya tenza hulainisha zaidi; mageuzi ya njia huacha mihamisho isiyo na rangi.
• Mizani mikubwa sana si “data mbaya”: tofauti za nusu-duara, ulinganifu wa multipoli za chini, na doa baridi ni mwanga wa baadaye wa mandhari ya tenza na vinapaswa kutoa mwangwi wa ishara moja katika uangalizi mwingi.

Hitimisho

• Kwa picha iliyounganishwa—“negatifi iliyotiwa weusi na kelele + vivuli vilivyopishana vya mandhari yenye msongo + marekebisho madogo ya lenzi njiani”—tunatunza kiini cha vilele vya akustiki vya kiada na wakati huo huo tunatoa msingi wa kifizikia na njia za majaribio kwa ulainishaji, modi B, mwelekeo na upotovu unaoonekana.
• Fuata hatua saba za usomaji—tazama rula, mzigo, ulainishaji, mwelekeo, ukosefu wa rangi, uhusiano wa B–(\kappa) na baki baada ya kuondoa lenzi—ili kufunga sifa zilizotawanyika kuwa ramani ya tenza ya Ulimwengu yenye uthibitisho wa pande zote.