Η εφεύρεση της σάρωσης CAT οδήγησε σε μια επανάσταση στην ιατρική διάγνωση. Όταν οι ακτίνες Χ δίνουν μόνο μια επίπεδη δισδιάστατη όψη του ανθρώπινου σώματος, μια σάρωση CAT παρέχει μια πιο αποκαλυπτική τρισδιάστατη προβολή. Για να γίνει αυτό, οι σαρώσεις CAT παίρνουν πολλές εικονικές «φέτες» ηλεκτρονικά και τις συναρμολογούν σε μια τρισδιάστατη εικόνα.
Τώρα μια νέα τεχνική που μοιάζει με σαρώσεις CAT, γνωστή ως τομογραφία, είναι έτοιμη να φέρει επανάσταση στη μελέτη του νέου σύμπαντος και στο τέλος των κοσμικών «σκοτεινών εποχών». Αναφέροντας το τεύχος της Φύσης στις 11 Νοεμβρίου 2004, οι αστροφυσικοί J. Stuart B. Wyithe (Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης) και ο Abraham Loeb (Κέντρο Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian) έχουν υπολογίσει το μέγεθος των κοσμικών δομών που θα μετρηθούν όταν οι αστρονόμοι αποτελεσματικά τραβήξτε εικόνες CAT που μοιάζουν με το πρώιμο σύμπαν. Αυτές οι μετρήσεις θα δείξουν πώς εξελίχθηκε το σύμπαν κατά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια ύπαρξής του.
«Μέχρι τώρα, περιοριζόμαστε σε ένα μόνο στιγμιότυπο της παιδικής ηλικίας του σύμπαντος - το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων», λέει ο Loeb. «Αυτή η νέα τεχνική θα μας επιτρέψει να δούμε ένα ολόκληρο άλμπουμ γεμάτο με τις φωτογραφίες του σύμπαντος. Μπορούμε να δούμε το σύμπαν να μεγαλώνει και να ωριμάζει ».
Τεμαχισμός χώρου
Η καρδιά της τεχνικής τομογραφίας που περιγράφεται από τους Wyithe και Loeb είναι η μελέτη ακτινοβολίας μήκους κύματος 21 εκατοστών από ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Στον δικό μας γαλαξία, αυτή η ακτινοβολία βοήθησε τους αστρονόμους να χαρτογραφήσουν το σφαιρικό φωτοστέφανο του Γαλαξία. Για να χαρτογραφήσουν το μακρινό νεαρό σύμπαν, οι αστρονόμοι πρέπει να ανιχνεύσουν ακτινοβολία 21 cm που έχει μετατοπιστεί με κόκκινο χρώμα: τεντωμένο σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (και χαμηλότερες συχνότητες) από την επέκταση του ίδιου του χώρου.
Το Redshift σχετίζεται άμεσα με την απόσταση. Όσο πιο μακριά είναι ένα σύννεφο υδρογόνου από τη Γη, τόσο περισσότερο μετατοπίζεται η ακτινοβολία του. Επομένως, εξετάζοντας μια συγκεκριμένη συχνότητα, οι αστρονόμοι μπορούν να φωτογραφίσουν μια «φέτα» του σύμπαντος σε μια συγκεκριμένη απόσταση. Περνώντας από πολλές συχνότητες, μπορούν να φωτογραφίσουν πολλές φέτες και να δημιουργήσουν μια τρισδιάστατη εικόνα του σύμπαντος.
«Η τομογραφία είναι μια περίπλοκη διαδικασία, και αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο δεν έχει γίνει στο παρελθόν σε πολύ υψηλές αλλαγές βάρους», λέει ο Wyithe. "Αλλά είναι επίσης πολλά υποσχόμενο επειδή είναι μία από τις λίγες τεχνικές που θα μας επιτρέψουν να μελετήσουμε τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του σύμπαντος."
Ένα Σύμπαν Φυσαλίδων Σαπουνιού
Τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια είναι κρίσιμα γιατί τότε τα πρώτα αστέρια άρχισαν να λάμπουν και οι πρώτοι γαλαξίες άρχισαν να σχηματίζονται σε συμπαγείς συστάδες. Αυτά τα αστέρια έκαψαν ζεστά, εκπέμποντας τεράστιες ποσότητες υπεριώδους φωτός που ιονίζονταν κοντά άτομα υδρογόνου, χωρίζοντας ηλεκτρόνια από πρωτόνια και καθαρίζοντας την ομίχλη ουδέτερου αερίου που γέμισε το πρώιμο σύμπαν.
Τα νεαρά γαλαξιακά σμήνη σύντομα περιβαλλόταν από φυσαλίδες ιονισμένου αερίου σαν σαπουνόφουσκες που επιπλέουν σε μια μπανιέρα νερού. Καθώς πλημμύριζε περισσότερο υπεριώδες φως, οι φυσαλίδες μεγάλωναν και σταδιακά συγχωνεύτηκαν. Τελικά, περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, ολόκληρο το ορατό σύμπαν ιονίστηκε.
Για να μελετήσουν το πρώιμο σύμπαν όταν οι φυσαλίδες ήταν μικρές και το αέριο ως επί το πλείστον ουδέτερο, οι αστρονόμοι πρέπει να πάρουν φέτες στο διάστημα σαν να τεμαχίζουν ένα κομμάτι ελβετικού τυριού. Ο Loeb λέει ότι, όπως και με το τυρί, «εάν οι φέτες του σύμπαντος είναι πολύ στενές, θα συνεχίσουμε να χτυπάμε τις ίδιες φυσαλίδες. Η θέα δεν θα αλλάξει ποτέ. "
Για να πάρετε πραγματικά χρήσιμες μετρήσεις, οι αστρονόμοι πρέπει να πάρουν μεγαλύτερες φέτες που χτυπούν διαφορετικές φυσαλίδες. Κάθε φέτα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το πλάτος μιας τυπικής φυσαλίδας. Οι Wyithe και Loeb υπολογίζουν ότι οι μεγαλύτερες μεμονωμένες φυσαλίδες έφτασαν σε μεγέθη περίπου 30 εκατομμυρίων ετών φωτός στο πρώιμο σύμπαν (ισοδύναμο με περισσότερα από 200 εκατομμύρια έτη φωτός στο διευρυμένο σύμπαν του σήμερα). Αυτές οι κρίσιμες προβλέψεις θα καθοδηγήσουν το σχεδιασμό των ραδιοφωνικών οργάνων για τη διεξαγωγή τομογραφικών μελετών.
Οι αστρονόμοι θα δοκιμάσουν σύντομα τις προβλέψεις των Wyithe και Loeb χρησιμοποιώντας μια σειρά κεραιών συντονισμένων για λειτουργία στις συχνότητες 100-200 megahertz του μετατοπισμένου υδρογόνου 21 cm. Η χαρτογράφηση του ουρανού σε αυτές τις συχνότητες είναι εξαιρετικά δύσκολη λόγω των χειροποίητων παρεμβολών (τηλεόραση και ραδιόφωνο FM) και οι επιπτώσεις της ιοντόσφαιρας της γης στα ραδιοκύματα χαμηλών συχνοτήτων. Ωστόσο, οι νέες τεχνολογίες ηλεκτρονικών και υπολογιστών χαμηλού κόστους θα καταστήσουν δυνατή την εκτεταμένη χαρτογράφηση πριν από το τέλος της δεκαετίας.
«Οι υπολογισμοί του Stuart και του Avi είναι όμορφοι, επειδή μόλις δημιουργήσουμε τις συστοιχίες μας, οι προβλέψεις θα είναι απλές για να δοκιμάσουμε καθώς παίρνουμε τις πρώτες ματιές μας για το πρώιμο σύμπαν», λέει ο αστρονόμος του Smithsonian Lincoln Greenhill (CfA).
Η Greenhill εργάζεται για να δημιουργήσει αυτές τις πρώτες ματιές μέσω μιας πρότασης για να εξοπλίσει το Very Large Array του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος με τους απαραίτητους δέκτες και ηλεκτρονικά, χρηματοδοτούμενο από το Smithsonian. «Με τύχη, θα δημιουργήσουμε τις πρώτες εικόνες των κελυφών ζεστού υλικού γύρω από πολλά από τα νεότερα κβάζαρ του σύμπαντος», λέει ο Greenhill.
Τα αποτελέσματα των Wyithe και Loeb θα βοηθήσουν επίσης στην καθοδήγηση του σχεδιασμού και της ανάπτυξης ραδιοπαρατηρητηρίων επόμενης γενιάς που κατασκευάζονται από την αρχή, όπως το ευρωπαϊκό έργο LOFAR και ένας πίνακας που προτάθηκε από μια συνεργασία ΗΠΑ-Αυστραλίας για κατασκευή στο ραδιο-ήσυχο εσωτερικό του Δυτική Αυστραλία.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Harvard CfA
