Bildkredit: NASA
Astronomer som vill studera det tidiga universum står inför ett grundläggande problem. Hur observerar du vad som fanns under den 'mörka medeltiden', innan de första stjärnorna bildades för att lysa upp det? Teoretiker 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 kastar.
För att se skuggorna måste en observatör studera den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) – strålning som blivit över från rekombinationens era. När universum var cirka 370 000 år gammalt kyldes det tillräckligt för att elektroner och protoner skulle förenas, och återförenades till neutrala väteatomer och lät reliken CMB-strålning från Big Bang färdas nästan obehindrat över kosmos under de senaste 13 miljarderna åren.
Med tiden stötte några av CMB-fotonerna på klumpar av vätgas och absorberades. Genom att leta efter regioner med färre fotoner – regioner som skuggas av väte – kan astronomer bestämma fördelningen av materia i det mycket tidiga universum.
'Det finns en enorm mängd information präglad på mikrovågshimlen som kan lära oss om universums initiala förhållanden med utsökt precision,' sa Loeb.
Inflation och mörk materia
För att absorbera CMB-fotoner måste vätetemperaturen (särskilt dess excitationstemperatur) vara lägre än temperaturen för CMB-strålningen – förhållanden som existerade först när universum var mellan 20 och 100 miljoner år gammalt ( universums ålder : 13,7 miljarder år). Av en slump är detta också långt före bildandet av några stjärnor eller galaxer, vilket öppnar ett unikt fönster in i den så kallade 'mörka tidsåldern'.
Att studera CMB-skuggor gör det också möjligt för astronomer att observera mycket mindre strukturer än vad som tidigare varit möjligt med hjälp av instrument som Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)-satelliten. Skuggtekniken kan upptäcka väteklumpar så små som 30 000 ljusår tvärs över i dagens universum, eller motsvarande bara 300 ljusår tvärs över i det ursprungliga universum. (Skalan har vuxit sig större i takt med att universum expanderat.) En sådan upplösning är en faktor 1000 gånger bättre än upplösningen för WMAP.
'Denna metod erbjuder ett fönster in i det mycket tidiga universums fysik, nämligen den epok av inflation under vilken fluktuationer i materiens fördelning tros ha uppstått. Dessutom kunde vi avgöra om neutriner eller någon okänd typ av partikel bidrar väsentligt till mängden 'mörk materia' i universum. Dessa frågor – vad som hände under inflationens epok och vad som är mörk materia – är nyckelproblem i modern kosmologi vars svar kommer att ge grundläggande insikter om universums natur”, sa Loeb.
En observationsutmaning
Väteatomer absorberar CMB-fotoner vid en specifik våglängd på 21 centimeter (8 tum). Universums expansion sträcker ut våglängden i ett fenomen som kallas rödförskjutning (eftersom en längre våglängd är rödare). Därför, 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 himmelskällor i förgrunden. För att samla in korrekta data kommer astronomer att behöva använda nästa generations radioteleskop, som 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 av 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, säger Loeb.
Denna forskning kommer att publiceras i ett kommande nummer av Physical Review Letters och är för närvarande tillgänglig online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134 .
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics har sitt huvudkontor i Cambridge, Massachusetts, och 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.
Ursprunglig källa: Nyhetsmeddelande från Harvard CfA