Bildkredit: NASA
Astronomer som vill studera det tidiga universum står inför ett grundläggande problem. Hur observerar du vad som fanns under "mörka tidsåldrar" innan de första stjärnorna bildades för att tända upp det? Teoretikerna Abraham Loeb och Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) har hittat en lösning. De beräknade att astronomer kan upptäcka de första atomerna i det tidiga universum genom att leta efter skuggorna de kastade.
För att se skuggorna måste en observatör studera den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) - strålning som finns kvar från rekombinationens era. När universum var ungefär 370 000 år gammal, kyldes det tillräckligt för att elektroner och protoner förenades, kombinerades igen i neutrala väteatomer och tillät reliken CMB-strålning från Big Bang att resa nästan obehindrad över kosmos under de senaste 13 miljarder åren.
Med tiden mötte några av CMB-fotonerna klumpar med vätgas och absorberades. Genom att leta efter regioner med färre fotoner - regioner som är skuggade av väte - kan astronomer bestämma materiens fördelning i det mycket tidiga universum.
"Det finns en enorm mängd information tryckt på mikrovågs himlen som kan lära oss om universums initiala förhållanden med utsökt precision," sade Loeb.
Inflation och Dark Matter
För att absorbera CMB-fotoner måste vätetemperaturen (speciellt dess excitationstemperatur) vara lägre än temperaturen för CMB-strålningen - förhållanden som bara fanns när universum var mellan 20 och 100 miljoner år gammal (Universumets ålder: 13,7 miljarder år). Sammanfattningsvis är detta också långt före bildandet av stjärnor eller galaxer, vilket öppnar ett unikt fönster i de så kallade "mörka åldrarna."
Att studera CMB-skuggor gör det också möjligt för astronomer att observera mycket mindre strukturer än vad som tidigare var möjligt med hjälp av instrument som Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) satellit. Skuggtekniken kan upptäcka väteklumpar så små som 30 000 ljusår i dagens universum, eller motsvarande endast 300 ljusår i det primordiala universum. (Skalan har blivit större när universum expanderade.) En sådan upplösning är en faktor 1000 gånger bättre än WMAP: s upplösning.
”Denna metod erbjuder ett fönster in i fysiken i det mycket tidiga universum, nämligen inflationsepoken, under vilken man tror att fluktuationer i materialfördelningen har framställts. Dessutom kan vi avgöra om neutrino eller någon okänd typ av partikel bidrar väsentligt till mängden "mörk materia" i universum. Dessa frågor - vad som hände under epoken av inflation och vad som är mörk materia - är nyckelproblem i modern kosmologi vars svar kommer att ge grundläggande insikter om universumets natur, ”sa Loeb.
En observationsutmaning
Väteatomer absorberar CMB-fotoner vid en specifik våglängd av 21 centimeter (8 tum). Universums expansion expanderar våglängden i ett fenomen som kallas rödförskjutning (eftersom en längre våglängd är rödare). För att observera 21-cm absorption från det tidiga universum måste astronomer titta på längre våglängder på 6 till 21 meter (20 till 70 fot) i radiodelen av det elektromagnetiska spektrumet.
Att observera CMB-skuggor vid radiovåglängder kommer att vara svårt på grund av störningar från förgrundskällorna. För att samla in exakta uppgifter måste astronomer använda nästa generation av radioteleskop, till exempel Low Frequency Array (LOFAR) och Square Kilometer Array (SKA). Även om observationerna kommer att vara en utmaning är den potentiella vinsten stor.
"Det finns en guldgruva med information där ute som väntar på att utvinnas. Även om dess fullständiga upptäckt kan vara experimentellt utmanande, är det givande att veta att det finns och att vi kan försöka mäta det inom en snar framtid, ”sa Loeb.
Denna forskning kommer att publiceras i ett kommande nummer av Physical Review Letters och är för närvarande tillgängligt online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, med huvudkontor i Cambridge, Mass., Är ett gemensamt samarbete mellan Smithsonian Astrophysical Observatory och Harvard College Observatory. CfA-forskare, organiserade i sex forskningsavdelningar, studerar universums ursprung, evolution och slutliga öde.
Originalkälla: Harvard CfA News Release
