Kuvan luotto: NASA
Tähtitieteilijät, jotka haluavat tutkia varhaista maailmankaikkeutta, kohtaavat perustavanlaatuisen ongelman. Kuinka tarkkailla mitä tapahtui ”pimeinä aikoina”, ennen kuin ensimmäiset tähdet muodostuivat valaisemaan sitä? Teoreetikot Abraham Loeb ja Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Astrofysiikan keskus) ovat löytäneet ratkaisun. He laskivat, että tähtitieteilijät voivat havaita ensimmäiset atomit varhaisessa maailmankaikkeudessa etsimällä varjoja, joita he heittävät.
Varjojen näkemiseksi tarkkailijan on tutkittava kosmista mikroaaltotaustaa (CMB) - yhdistelmäkaudesta jäljellä olevaa säteilyä. Kun maailmankaikkeus oli noin 370 000 vuotta vanha, se jäähtyi tarpeeksi, jotta elektronit ja protonit yhdistyivät, rekombinoituen neutraaliksi vetyatomeiksi ja sallien Ison räjähdyksen aiheuttaman CMB-säteilyn kulkevan lähes esteettömästi kosmossa viimeisen 13 miljardin vuoden ajan.
Ajan myötä jotkut CMB-fotoneista kohtasivat vetykaasun kohoumia ja absorboivat. Etsimällä alueita, joissa on vähemmän fotoneja - alueita, joita vety on varjostanut -, tähtitieteilijät voivat määrittää aineen jakauman hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa.
"Mikroaaltoaallolle on painettu valtavasti tietoa, joka voisi opettaa meille maailmankaikkeuden alkuolosuhteista hienolla tarkkuudella", Loeb sanoi.
Inflaatio ja tumma aine
CMB-fotonien absorboimiseksi vedyn lämpötilan (erityisesti sen virityslämpötilan) on oltava alempi kuin CMB-säteilyn lämpötila - olosuhteet, jotka olivat olemassa vasta, kun maailmankaikkeus oli 20–100 miljoonaa vuotta vanha (maailmankaikkeuden ikä: 13,7 miljardia vuotta). Sattumalta tämä on myös hyvissä ajoin ennen minkään tähden tai galaksien muodostumista, ja se avaa ainutlaatuisen ikkunan niin kutsuttuihin ”pimeisiin aikakausiin”.
CMB-varjojen tutkiminen antaa myös tähtitieteilijöille mahdollisuuden havaita paljon pienempiä rakenteita, kuin mitä aikaisemmin oli mahdollista käyttämällä instrumentteja, kuten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -satelliitti. Varjotekniikka pystyy havaitsemaan niin pienet kuin 30000 valovuoden kokoiset vetyryhmät nykypäivän maailmankaikkeudessa, tai vastaten vain 300 valovuoden poikittaista alkuväenuniversumissa. (Asteikko on kasvanut suurempana maailmankaikkeuden laajentuessa.) Tällainen resoluutio on tekijä 1000 kertaa parempi kuin WMAP: n resoluutio.
”Tämä menetelmä tarjoaa ikkunan hyvin varhaisen maailmankaikkeuden fysiikkaan, nimittäin inflaatiokauteen, jonka aikana aineen jakautumisen uskotaan syntyneen. Lisäksi voimme selvittää, vaikuttavatko neutriinot tai jotkut tuntemattomat hiukkaset merkittävästi 'tumman aineen' määrään maailmankaikkeudessa. Nämä kysymykset - mitä tapahtui inflaation aikana ja mikä on pimeää - ovat nykyajan kosmologian avainongelmia, joiden vastaukset antavat perustavanlaatuisen kuvan maailmankaikkeuden luonteesta ”, Loeb sanoi.
Havainto
Vetyatomit absorboivat CMB-fotoneja tietyllä aallonpituudella 21 cm (8 tuumaa). Universumin laajentuminen venyttää aallonpituutta ilmiössä, jota kutsutaan punasiirtymäksi (koska pidempi aallonpituus on punaisempi). Siksi voidakseen tarkkailla varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtuvaa 21 cm: n absorptiota tähtitieteilijöiden on tarkasteltava pidempiä aallonpituuksia, jotka ovat 6 - 21 metriä (20 - 70 jalkaa), sähkömagneettisen spektrin radio-osassa.
CMB-varjojen havaitseminen radioaallonpituuksilla on vaikeaa etualan taivaan lähteiden aiheuttamien häiriöiden vuoksi. Tarkan tiedon keräämiseksi tähtitieteilijöiden on käytettävä seuraavan sukupolven radioteleskooppeja, kuten matalan taajuuden taulukko (LOFAR) ja neliökilometrimitta (SKA). Vaikka havainnot ovat haaste, potentiaalinen voitto on suuri.
”Siellä on kultakaivos, joka odottaa saatavaa. Vaikka sen täydellinen havaitseminen voi olla kokeellisesti haastavaa, on palkitsevaa tietää, että se on olemassa ja että voimme yrittää mitata sitä lähitulevaisuudessa ”, Loeb sanoi.
Tämä tutkimus julkaistaan tulevassa Physical Review Letters -numerossa, ja se on tällä hetkellä saatavana verkossa osoitteessa http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Harvard-Smithsonian Astrofysiikan keskus, jonka pääkonttori on Cambridge, Massachusetts on Smithsonian Astrophysical Observatoryn ja Harvard College Observatoryn yhteistyö. CfA: n tutkijat, jotka on jaettu kuuteen tutkimusosastoon, tutkivat maailmankaikkeuden alkuperää, evoluutiota ja lopullista kohtaloa.
Alkuperäinen lähde: Harvard CfA: n lehdistötiedote
