Uppfinningen av CAT-scan ledde till en revolution inom medicinsk diagnos. Där röntgenstrålar endast ger en platt tvådimensionell bild av människokroppen ger en CAT-skanning en mer avslöjande tredimensionell vy. För att göra detta tar CAT-skanningar många virtuella "skivor" elektroniskt och monterar dem i en 3D-bild.
Nu är en ny teknik som liknar CAT-skanningar, känd som tomografi, avsedd att revolutionera studiet av det unga universum och slutet på den kosmiska "mörka tidsåldern". Rapportering i november 11, 2004, numret av naturen, astrofysikerna J. Stuart B. Wyithe (University of Melbourne) och Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) har beräknat storleken på kosmiska strukturer som kommer att mätas när astronomer effektivt ta CAT-skanningsliknande bilder av det tidiga universum. Dessa mätningar kommer att visa hur universum utvecklats under sina första miljarder år av existens.
"Fram till nu har vi varit begränsade till en enda stillbild av universumets barndom - den kosmiska mikrovågsbakgrunden," säger Loeb. "Den här nya tekniken låter oss se ett helt album fullt med universums babyfoton. Vi kan se universum växa upp och mogna. ”
Skivutrymme
Hjärtat i den tomografitekniken som beskrivs av Wyithe och Loeb är studien av strålning från 21 centimeter våglängd från neutrala väteatomer. I vår egen galax har denna strålning hjälpt astronomer att kartlägga Vintergatan's sfäriska glorie. För att kartlägga det avlägsna unga universum måste astronomer upptäcka 21 cm strålning som har förskjutits på nytt: sträckt till längre våglängder (och lägre frekvenser) genom expansionen av själva rymden.
Redshift är direkt korrelerat med avstånd. Ju längre ett väte moln kommer från jorden, desto mer skiftas strålningen. Genom att titta på en specifik frekvens kan astronomer därför fotografera en "skiva" av universum på ett visst avstånd. Genom att gå igenom många frekvenser kan de fotografera många skivor och bygga upp en tredimensionell bild av universum.
"Tomografi är en komplicerad process, vilket är en anledning till att det inte har gjorts förut vid mycket höga redskift," säger Wyithe. "Men det är också mycket lovande eftersom det är en av få tekniker som låter oss studera de första miljarder åren av universums historia."
A Soap Bubble Universe
De första miljarder åren är kritiska eftersom det var när de första stjärnorna började lysa och de första galaxerna började bildas i kompakta kluster. Dessa stjärnor brände varmt och släppte enorma mängder ultraviolett ljus som joniserade närliggande väteatomer, delade elektroner från protoner och rensade bort dimman av neutral gas som fyllde det tidiga universum.
Unga galaxklyngar omgavs snart av bubblor av joniserad gas ungefär som såpbubblor som flyter i ett badkar med vatten. När mer ultraviolett ljus översvämmade rymden, växte bubblorna större och gradvis slogs samman. Så småningom, ungefär en miljard år efter Big Bang, joniserades hela det synliga universum.
För att studera det tidiga universum när bubblorna var små och gasen mestadels neutral, måste astronomer ta skivor genom rymden som om de skar ett block schweizisk ost. Loeb säger att precis som med ost, "om våra skivor av universum är för smala, kommer vi att fortsätta slå samma bubblor. Vyn förändras aldrig. ”
För att få riktigt användbara mätningar måste astronomer ta större skivor som träffar olika bubblor. Varje skiva måste vara bredare än bredden på en typisk bubbla. Wyithe och Loeb beräknar att de största enskilda bubblorna nådde storlekar på cirka 30 miljoner ljusår i det tidiga universum (motsvarande mer än 200 miljoner ljusår i dagens expanderade universum). Dessa avgörande förutsägelser kommer att leda utformningen av radioinstrument för att utföra tomografiska studier.
Astronomer kommer snart att testa Wyithe och Loebs förutsägelser med hjälp av en mängd antenner som är inställda för att arbeta vid 100-200 megahertz-frekvenserna för rödförskjuten 21 cm väte. Det är extremt svårt att kartlägga himlen på dessa frekvenser på grund av människoskapande störningar (TV- och FM-radio) och jordens jonosfärs effekter på lågfrekventa radiovågor. Ny lågkostnadselektronik och datorteknik kommer emellertid att göra omfattande kartläggning möjlig före decenniets slut.
"Stuart och Avis beräkningar är vackra för när vi väl har byggt våra uppsättningar kommer förutsägelserna att vara enkla att testa när vi tar våra första glimt av det tidiga universum," säger Smithsonian radioastronom Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill arbetar för att skapa de första glimtarna genom ett förslag att utrusta National Science Foundation's Very Large Array med nödvändiga mottagare och elektronik, finansierad av Smithsonian. "Med tur skapar vi de första bilderna av skalen med hett material runt flera av de yngsta kvasarerna i universum," säger Greenhill.
Wyithe och Loebs resultat kommer också att hjälpa till att vägleda utformningen och utvecklingen av nästa generations radioobservatorier som byggs upp från grunden, till exempel det europeiska LOFAR-projektet och en grupp som föreslagits av ett amerikansk-australiskt samarbete för konstruktion i den radiostilla outbacken av Västra Australien.
Originalkälla: Harvard CfA News Release
