Πιστωτική εικόνα: NASA
Οι αστρονόμοι που θέλουν να μελετήσουν το πρώιμο σύμπαν αντιμετωπίζουν ένα θεμελιώδες πρόβλημα. Πώς παρατηρείτε τι υπήρχε κατά τη διάρκεια των «σκοτεινών εποχών», προτού σχηματιστούν τα πρώτα αστέρια για να το φωτίσουν; Οι θεωρητικοί Abraham Loeb και Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) βρήκαν μια λύση. Υπολόγισαν ότι οι αστρονόμοι μπορούν να ανιχνεύσουν τα πρώτα άτομα στο πρώιμο σύμπαν αναζητώντας τις σκιές που ρίχνουν.
Για να δει τις σκιές, ένας παρατηρητής πρέπει να μελετήσει το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) - ακτινοβολία που έχει απομείνει από την εποχή του ανασυνδυασμού. Όταν το σύμπαν ήταν περίπου 370.000 ετών, κρυώθηκε αρκετά ώστε τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια να ενωθούν, ανασυνδυασμένα σε ουδέτερα άτομα υδρογόνου και επιτρέποντας στο λείψανο της ακτινοβολίας CMB από τη Μεγάλη Έκρηξη να ταξιδέψει σχεδόν ανεμπόδιστα στον κόσμο για τα τελευταία 13 δισεκατομμύρια χρόνια.
Με την πάροδο του χρόνου, μερικά από τα φωτόνια CMB αντιμετώπισαν συσσωματώματα αερίου υδρογόνου και απορροφήθηκαν. Αναζητώντας περιοχές με λιγότερα φωτόνια - περιοχές που σκιάζονται από υδρογόνο - οι αστρονόμοι μπορούν να καθορίσουν την κατανομή της ύλης στο πολύ πρώιμο σύμπαν.
«Υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός πληροφοριών στον ουρανό μικροκυμάτων που θα μπορούσαν να μας διδάξουν για τις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος με εξαιρετική ακρίβεια», δήλωσε ο Loeb.
Πληθωρισμός και σκοτεινό θέμα
Για την απορρόφηση των φωτονίων CMB, η θερμοκρασία του υδρογόνου (συγκεκριμένα η θερμοκρασία διέγερσης) πρέπει να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία της ακτινοβολίας CMB - συνθήκες που υπήρχαν μόνο όταν το σύμπαν ήταν μεταξύ 20 και 100 εκατομμυρίων ετών (ηλικία του Σύμπαντος: 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια). Συμπτωματικά, αυτό είναι επίσης πολύ πριν από το σχηματισμό οποιωνδήποτε αστεριών ή γαλαξιών, ανοίγοντας ένα μοναδικό παράθυρο στις λεγόμενες «σκοτεινές εποχές».
Η μελέτη των σκιών CMB επιτρέπει επίσης στους αστρονόμους να παρατηρούν πολύ μικρότερες δομές από ό, τι ήταν δυνατό στο παρελθόν χρησιμοποιώντας όργανα όπως ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Η τεχνική σκιάς μπορεί να ανιχνεύσει συσσωματώσεις υδρογόνου τόσο μικρές όσο 30.000 έτη φωτός στο σημερινό σύμπαν, ή το ισοδύναμο μόνο 300 ετών φωτός στο αρχέγονο σύμπαν. (Η κλίμακα έχει μεγαλώσει καθώς το σύμπαν επεκτείνεται.) Μια τέτοια ανάλυση είναι ένας παράγοντας 1000 φορές καλύτερος από την ανάλυση του WMAP.
«Αυτή η μέθοδος προσφέρει ένα παράθυρο στη φυσική του πολύ πρώιμου σύμπαντος, δηλαδή την εποχή του πληθωρισμού κατά την οποία πιστεύεται ότι έχουν παραχθεί διακυμάνσεις στην κατανομή της ύλης. Επιπλέον, θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε εάν τα νετρίνα ή κάποιο άγνωστο είδος σωματιδίων συμβάλλουν ουσιαστικά στην ποσότητα της «σκοτεινής ύλης» στο σύμπαν. Αυτές οι ερωτήσεις - τι συνέβη κατά την εποχή του πληθωρισμού και της σκοτεινής ύλης - είναι βασικά προβλήματα στη σύγχρονη κοσμολογία των οποίων οι απαντήσεις θα δώσουν θεμελιώδεις γνώσεις για τη φύση του σύμπαντος », δήλωσε ο Loeb.
Μια πρόκληση παρατήρησης
Τα άτομα υδρογόνου απορροφούν CMB φωτόνια σε συγκεκριμένο μήκος κύματος 21 εκατοστά (8 ίντσες). Η επέκταση του σύμπαντος εκτείνεται στο μήκος κύματος σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ερυθρά μετατόπιση (επειδή ένα μεγαλύτερο μήκος κύματος είναι πιο κόκκινο). Επομένως, για να παρατηρηθεί απορρόφηση 21 εκατοστών από το πρώιμο σύμπαν, οι αστρονόμοι πρέπει να κοιτάξουν σε μεγαλύτερα μήκη κύματος από 6 έως 21 μέτρα (20 έως 70 πόδια), στο ραδιο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Η παρατήρηση των σκιών CMB σε μήκη κύματος ραδιοφώνου θα είναι δύσκολη λόγω της παρεμβολής από πηγές ουρανού προσκηνίου. Για να συλλέξουν ακριβή δεδομένα, οι αστρονόμοι θα πρέπει να χρησιμοποιούν την επόμενη γενιά ραδιο τηλεσκοπίων, όπως το Array Low Frequency Array (LOFAR) και το Square Kilometer Array (SKA). Αν και οι παρατηρήσεις θα είναι μια πρόκληση, η πιθανή απόδοση είναι μεγάλη.
«Υπάρχει ένα ορυχείο χρυσού πληροφοριών εκεί έξω που περιμένουν να εξαχθούν. Αν και η πλήρης ανίχνευσή του μπορεί να είναι πειραματικά δύσκολη, είναι ικανοποιητικό να γνωρίζουμε ότι υπάρχει και ότι μπορούμε να προσπαθήσουμε να το μετρήσουμε στο εγγύς μέλλον », δήλωσε ο Loeb.
Αυτή η έρευνα θα δημοσιευτεί σε ένα επερχόμενο τεύχος των Επιστημών Φυσικής Επισκόπησης και προς το παρόν είναι διαθέσιμο στο διαδίκτυο στη διεύθυνση http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134
Με έδρα το Cambridge, Mass., Το Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics είναι μια κοινή συνεργασία μεταξύ του Smithsonian Astrophysical Observatory και του Harvard College Observatory. Οι επιστήμονες της CfA, οργανωμένοι σε έξι ερευνητικά τμήματα, μελετούν την προέλευση, την εξέλιξη και την τελική μοίρα του σύμπαντος.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Harvard CfA
