Bildekreditt: NASA
Astronomer som ønsker å studere det tidlige universet, møter et grunnleggende problem. Hvordan observerer du det som fantes i de "mørke tidene", før de første stjernene ble dannet for å lyse det opp? Teoretikerne Abraham Loeb og Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) har funnet en løsning. De beregnet at astronomer kan oppdage de første atomene i det tidlige universet ved å lete etter skyggene de kastet.
For å se skyggene, må en observatør studere den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) - stråling som er igjen fra æra av rekombinasjon. Da universet var rundt 370 000 år gammelt, avkjølte det seg nok til at elektroner og protoner kunne forene seg, rekombinert til nøytrale hydrogenatomer og la relikviene CMB-stråling fra Big Bang til å reise nesten uhindret over kosmos de siste 13 milliarder årene.
Over tid møtte noen av CMB-fotonene klumper med hydrogengass og ble absorbert. Ved å lete etter regioner med færre fotoner - regioner som er skyggelagt av hydrogen - kan astronomer bestemme fordelingen av materien i det tidlige universet.
"Det er en enorm mengde informasjon som er trykt på mikrobølgehimmelen som kan lære oss om de første forholdene i universet med utsøkt presisjon," sa Loeb.
Inflasjon og mørk materie
For å absorbere CMB-fotoner, må hydrogentemperaturen (nærmere bestemt dens eksitasjonstemperatur) være lavere enn temperaturen på CMB-strålingen - forhold som bare fantes da universet var mellom 20 og 100 millioner år gammel (alder av universet: 13,7 milliarder år). Tilfeldigvis er dette også i god tid før dannelsen av stjerner eller galakser, og åpner et unikt vindu i den såkalte "mørke tidsalder."
Å studere CMB-skygger gjør det også mulig for astronomer å observere mye mindre strukturer enn det som tidligere var mulig å bruke instrumenter som Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) satellitt. Skyggeteknikken kan oppdage hydrogenklumper så små som 30 000 lysår i dagens univers, eller tilsvarer bare 300 lysår i det primordiale universet. (Skalaen har vokst seg større etter hvert som universet utvidet seg.) En slik oppløsning er en faktor 1000 ganger bedre enn oppløsningen til WMAP.
Denne metoden gir et vindu inn i fysikken i det tidlige universet, nemlig inflasjonsepoken der antas å ha blitt produsert svingninger i fordelingen av materie. Dessuten kan vi bestemme om nøytrinoer eller en ukjent type partikkel bidrar vesentlig til mengden ‘mørk materie’ i universet. Disse spørsmålene - hva som skjedde under inflasjonsepoken og hva som er mørk materie - er sentrale problemer i moderne kosmologi hvis svar vil gi grunnleggende innsikt i universets natur, ”sa Loeb.
En observasjonell utfordring
Hydrogenatomer absorberer CMB-fotoner med en spesifikk bølgelengde på 21 centimeter. Universets utvidelse strekker bølgelengden i et fenomen som kalles rødforskyvning (fordi en lengre bølgelengde er rødere). For å observere 21 cm absorpsjon fra det tidlige universet, må astronomer se på lengre bølgelengder på 6 til 21 meter (20 til 70 fot) i radiodelen av det elektromagnetiske spekteret.
Å observere CMB-skygger ved radiobølgelengder vil være vanskelig på grunn av forstyrrelse fra forgrunnen himmelkilder. For å samle nøyaktige data, vil astronomer måtte bruke den neste generasjonen radioteleskoper, for eksempel Low Frequency Array (LOFAR) og Square Kilometer Array (SKA). Selv om observasjonene vil være en utfordring, er den potensielle utbetalingen stor.
"Det er en gullgruve med informasjon der ute som venter på å bli trukket ut. Selv om dets fullstendige deteksjon kan være eksperimentelt utfordrende, er det givende å vite at det eksisterer, og at vi kan forsøke å måle det i løpet av en nær fremtid, sier Loeb.
Denne forskningen vil bli publisert i en kommende utgave av Physical Review Letters, og er for øyeblikket tilgjengelig online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, med hovedkontor i Cambridge, Mass., Er et felles samarbeid mellom Smithsonian Astrophysical Observatory og Harvard College Observatory. CfA-forskere, organisert i seks forskningsavdelinger, studerer universets opprinnelse, evolusjon og endelige skjebne.
Original kilde: Harvard CfA News Release
