Źródło zdjęcia: NASA
Astronomowie, którzy chcą badać wczesny wszechświat, napotykają podstawowy problem. Jak obserwujesz, co istniało w „ciemnych wiekach”, zanim powstały pierwsze gwiazdy, aby je rozjaśnić? Teoretycy Abraham Loeb i Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) znaleźli rozwiązanie. Obliczyli, że astronomowie mogą wykryć pierwsze atomy we wczesnym wszechświecie, szukając rzucanych przez nich cieni.
Aby zobaczyć cienie, obserwator musi zbadać kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) - promieniowanie pozostałe po epoce rekombinacji. Kiedy wszechświat miał około 370 000 lat, ochłodził się wystarczająco, aby elektrony i protony mogły się zjednoczyć, łącząc się w neutralne atomy wodoru i umożliwiając reliktowe promieniowanie CMB z Wielkiego Wybuchu niemal bez przeszkód przemieszczać się w kosmosie przez ostatnie 13 miliardów lat.
Z czasem niektóre fotony CMB napotkały grudki wodoru i zostały zaabsorbowane. Poszukując regionów z mniejszą liczbą fotonów - obszarów ocienionych wodorem - astronomowie mogą określić rozkład materii we wczesnym wszechświecie.
„Na niebie mikrofalowym znajduje się ogromna ilość informacji, które mogłyby nauczyć nas o początkowych warunkach wszechświata z niezwykłą precyzją” - powiedział Loeb.
Inflacja i ciemna materia
Aby pochłonąć fotony CMB, temperatura wodoru (szczególnie temperatura wzbudzenia) musi być niższa niż temperatura promieniowania CMB - warunki, które istniały tylko wtedy, gdy wszechświat miał od 20 do 100 milionów lat (wiek Wszechświata: 13,7 miliarda lat). Przypadkowo dzieje się to również na długo przed powstaniem jakichkolwiek gwiazd lub galaktyk, otwierając unikalne okno na tak zwane „ciemne wieki”.
Badanie cieni CMB pozwala także astronomom obserwować znacznie mniejsze struktury niż było to wcześniej możliwe przy użyciu instrumentów takich jak satelita Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Technika cienia może wykryć skupiska wodoru o wielkości zaledwie 30 000 lat świetlnych we współczesnym wszechświecie lub równowartość zaledwie 300 lat świetlnych w pierwotnym wszechświecie. (Skala powiększyła się wraz z rozszerzeniem wszechświata.) Taka rozdzielczość jest 1000 razy lepsza niż rozdzielczość WMAP.
„Ta metoda oferuje okno na fizykę bardzo wczesnego wszechświata, a mianowicie epokę inflacji, podczas której uważa się, że powstały wahania rozkładu materii. Co więcej, moglibyśmy ustalić, czy neutrina lub jakiś nieznany rodzaj cząstek znacząco przyczyniają się do ilości „ciemnej materii” we wszechświecie. Te pytania - co wydarzyło się w epoce inflacji i czym jest ciemna materia - są kluczowymi problemami współczesnej kosmologii, których odpowiedzi przyniosą fundamentalny wgląd w naturę wszechświata ”- powiedział Loeb.
Wyzwanie obserwacyjne
Atomy wodoru pochłaniają fotony CMB przy określonej długości fali 21 centymetrów (8 cali). Ekspansja wszechświata rozciąga się na długość fali w zjawisku zwanym przesunięciem ku czerwieni (ponieważ dłuższa długość fali jest bardziej czerwona). Dlatego, aby obserwować absorpcję 21 cm z wczesnego wszechświata, astronomowie muszą patrzeć na dłuższe fale o długości od 6 do 21 metrów (20 do 70 stóp) w części radiowej widma elektromagnetycznego.
Obserwowanie cieni CMB przy długości fal radiowych będzie trudne ze względu na interferencję ze źródłami nieba na pierwszym planie. Aby zebrać dokładne dane, astronomowie będą musieli użyć nowej generacji radioteleskopów, takich jak tablica niskiej częstotliwości (LOFAR) i tablica kilometrów kwadratowych (SKA). Chociaż obserwacje będą stanowić wyzwanie, potencjalna wypłata jest ogromna.
„Tam jest złota kopalnia informacji, która czeka na wydobycie. Chociaż jego pełne wykrywanie może być trudne eksperymentalnie, satysfakcjonujące jest wiedzieć, że istnieje i że możemy spróbować zmierzyć go w najbliższej przyszłości ”- powiedział Loeb.
Badanie to zostanie opublikowane w nadchodzącym numerze Physical Review Letters i obecnie jest dostępne online pod adresem http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics z siedzibą w Cambridge, Massachusetts, jest wspólną współpracą Smithsonian Astrophysical Observatory i Harvard College Observatory. Naukowcy CfA, zorganizowani w sześć dywizji badawczych, badają pochodzenie, ewolucję i ostateczny los wszechświata.
Oryginalne źródło: Harvard CfA News Release
