Wynalazek skanu CAT doprowadził do rewolucji w diagnostyce medycznej. Tam, gdzie promienie X dają jedynie płaski dwuwymiarowy widok ludzkiego ciała, skan CAT zapewnia bardziej odkrywczy trójwymiarowy widok. Aby to zrobić, skany CAT wykonują wiele wirtualnych „plasterków” elektronicznie i łączą je w obraz 3D.
Teraz nowa technika, która przypomina skany CAT, znana jako tomografia, może zrewolucjonizować badania młodego wszechświata i końca kosmicznych „ciemnych wieków”. Raport z 11 listopada 2004, numer Nature, astrofizycy J. Stuart B. Wyithe (University of Melbourne) i Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) obliczyli wielkość struktur kosmicznych, które zostaną zmierzone, gdy astronomowie skutecznie weź obrazy CAT wczesnego wszechświata podobne do skanu. Pomiary te pokażą, jak wszechświat ewoluował przez pierwszy miliard lat swojego istnienia.
„Do tej pory byliśmy ograniczeni do jednego zdjęcia z dzieciństwa wszechświata - kosmicznego tła mikrofalowego” - mówi Loeb. „Ta nowa technika pozwoli nam obejrzeć cały album pełen dziecięcych zdjęć wszechświata. Możemy obserwować, jak wszechświat rośnie i dojrzewa. ”
Krojenie przestrzeni
Sercem techniki tomograficznej opisanej przez Wyithe i Loeba jest badanie promieniowania o długości 21 centymetrów z neutralnych atomów wodoru. W naszej własnej galaktyce promieniowanie to pomogło astronomom w mapowaniu sferycznego halo Drogi Mlecznej. Aby zmapować odległy młody wszechświat, astronomowie muszą wykryć 21-cm promieniowanie, które zostało przesunięte na czerwono: rozciągnięte na dłuższe fale (i niższe częstotliwości) poprzez ekspansję samej przestrzeni.
Redshift jest bezpośrednio skorelowany z odległością. Im dalej obłok wodoru znajduje się od Ziemi, tym bardziej jego promieniowanie ulega przesunięciu ku czerwieni. Dlatego patrząc na określoną częstotliwość astronomowie mogą sfotografować „kawałek” wszechświata z określonej odległości. Przechodząc przez wiele częstotliwości, mogą sfotografować wiele warstw i stworzyć trójwymiarowy obraz wszechświata.
„Tomografia jest skomplikowanym procesem, który jest jednym z powodów, dla których nie przeprowadzono jej wcześniej przy bardzo dużych przesunięciach ku czerwieni”, mówi Wyithe. „Ale jest również bardzo obiecujące, ponieważ jest to jedna z niewielu technik, które pozwolą nam przestudiować pierwszy miliard lat historii wszechświata”.
Wszechświat bańki mydlanej
Pierwszy miliard lat jest krytyczny, ponieważ wtedy zaczęły świecić pierwsze gwiazdy, a pierwsze galaktyki zaczęły formować się w zwarte gromady. Te gwiazdy paliły się gorąco, emitując ogromne ilości światła ultrafioletowego, które zjonizowały pobliskie atomy wodoru, rozszczepiając elektrony od protonów i usuwając mgłę neutralnego gazu, który wypełnił wczesny wszechświat.
Młode gromady galaktyk wkrótce zostały otoczone przez bąbelki zjonizowanego gazu, podobnie jak bańki mydlane unoszące się w wannie z wodą. W miarę jak coraz więcej światła ultrafioletowego zalewało przestrzeń, bąbelki powiększały się i stopniowo łączyły. W końcu, około miliarda lat po Wielkim Wybuchu, cały widoczny wszechświat został zjonizowany.
Aby zbadać wczesny wszechświat, w którym bąbelki były małe, a gaz w większości neutralny, astronomowie muszą przecinać przestrzeń, jakby kroili blok szwajcarskiego sera. Loeb mówi, że podobnie jak w przypadku sera „jeśli nasze plasterki wszechświata są zbyt wąskie, nadal będziemy uderzać w te same bąbelki. Widok nigdy się nie zmieni. ”
Aby uzyskać naprawdę przydatne pomiary, astronomowie muszą brać większe plastry, które uderzają w różne bąbelki. Każdy plasterek musi być szerszy niż szerokość typowego bąbelka. Wyithe i Loeb obliczają, że największe pojedyncze bąbelki osiągnęły rozmiary we wczesnym wszechświecie o wielkości około 30 milionów lat świetlnych (co odpowiada ponad 200 milionom lat świetlnych we współczesnym rozszerzonym wszechświecie). Te kluczowe prognozy poprowadzą projekt instrumentów radiowych do prowadzenia badań tomograficznych.
Astronomowie wkrótce przetestują prognozy Wyithe i Loeba za pomocą szeregu anten dostrojonych do pracy na częstotliwościach 100-200 megaherców przesuniętego na czerwono 21-centymetrowego wodoru. Mapowanie nieba przy tych częstotliwościach jest niezwykle trudne z powodu interferencji spowodowanych przez człowieka (telewizja i radio FM) oraz wpływu jonosfery Ziemi na fale radiowe niskiej częstotliwości. Jednak nowe tanie technologie elektroniczne i komputerowe umożliwią obszerne mapowanie przed końcem dekady.
„Obliczenia Stuarta i Avi są piękne, ponieważ kiedy zbudujemy nasze tablice, prognozy będą łatwe do przetestowania, gdy będziemy mogli po raz pierwszy ujrzeć wczesny wszechświat”, mówi astronom radiowy Smithsonian Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill pracuje nad stworzeniem tych pierwszych przebłysków dzięki propozycji wyposażenia Very Large Array National Science Foundation w niezbędne odbiorniki i elektronikę, finansowanej przez Smithsonian. „Przy odrobinie szczęścia stworzymy pierwsze zdjęcia skorup gorącego materiału wokół kilku najmłodszych kwazarów we wszechświecie” - mówi Greenhill.
Wyniki Wyithe i Loeb pomogą również w kierowaniu projektowaniem i rozwojem obserwatoriów radiowych nowej generacji budowanych od podstaw, takich jak europejski projekt LOFAR i tablica zaproponowana przez amerykańsko-australijską współpracę przy budowie w cichym radiowo miejscu Zachodnia australia.
Oryginalne źródło: Harvard CfA News Release
