Billedkredit: NASA
Astronomer, der ønsker at studere det tidlige univers, står over for et grundlæggende problem. Hvordan observerer du, hvad der eksisterede i de "mørke tidsrum", før de første stjerner dannede for at tænde det? Teoretikerne Abraham Loeb og Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) har fundet en løsning. De beregnet, at astronomer kan registrere de første atomer i det tidlige univers ved at se efter de skygger, de kastede.
For at se skyggerne skal en observatør studere den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) - stråling, der er tilbage fra æra med rekombination. Da universet var omkring 370.000 år gammelt, afkøles det nok til, at elektroner og protoner kunne forene, rekombineres til neutrale brintatomer og lod relikviteten CMB-stråling fra Big Bang rejse næsten uhindret over kosmos i de sidste 13 milliarder år.
Over tid mødte nogle af CMB-fotoner klumper af brintgas og blev absorberet. Ved at lede efter regioner med færre fotoner - regioner, der er skygge af brint - kan astronomer bestemme fordelingen af stof i det meget tidlige univers.
”Der er en enorm mængde information påtrykt mikrobølgehimmelen, der kan lære os om universets oprindelige forhold med udsøgt præcision,” sagde Loeb.
Inflation og Dark Matter
For at absorbere CMB-fotoner skal brintemperaturen (nærmere bestemt dens excitationstemperatur) være lavere end temperaturen i CMB-strålingen - forhold, der kun eksisterede, da universet var mellem 20 og 100 millioner år gammel (alder af univers: 13,7 milliarder år). Tilfældigt nok er dette også længe inden dannelsen af stjerner eller galakser, hvor man åbner et unikt vindue i de såkaldte ”mørke aldre”.
At studere CMB-skygger gør det også muligt for astronomer at observere meget mindre strukturer, end det tidligere var muligt ved hjælp af instrumenter som Wilkinson Microbys Anisotropy Probe (WMAP) satellit. Skyggeteknikken kan detektere brintklumper så små som 30.000 lysår på tværs i nutidens univers eller svarende til kun 300 lysår i det primære univers. (Skalaen er vokset større, efterhånden som universet ekspanderede.) En sådan opløsning er en faktor 1000 gange bedre end opløsningen af WMAP.
”Denne metode giver et vindue ind i fysikken i det meget tidlige univers, nemlig den epoke af inflation, i hvilken man antager at der er produceret svingninger i fordelingen af stof. Desuden kunne vi bestemme, om neutrinoer eller en eller anden ukendt type partikel bidrager væsentligt til mængden af 'mørkt stof' i universet. Disse spørgsmål - hvad der skete i inflationsepoken og hvad der er mørk stof - er centrale problemer i moderne kosmologi, hvis svar vil give grundlæggende indsigt i universets natur, ”sagde Loeb.
En observationsudfordring
Hydrogenatomer absorberer CMB-fotoner ved en specifik bølgelængde på 21 centimeter (8 tommer). Universets udvidelse strækker bølgelængden i et fænomen kaldet rødforskydning (fordi en længere bølgelængde er rødere). For at observere 21 cm-absorption fra det tidlige univers skal astronomer se på længere bølgelængder på 6 til 21 meter (20 til 70 fod) i radiodelen af det elektromagnetiske spektrum.
Det vil være vanskeligt at observere CMB-skygger ved radiobølgelængder på grund af interferens fra kilder til forgrundshimmel. For at indsamle nøjagtige data skal astronomer bruge den næste generation af radioteleskoper, såsom lavfrekvensarray (LOFAR) og Square Kilometer Array (SKA). Selvom observationer vil være en udfordring, er den potentielle udbetaling stor.
”Der er en guldmine med information derude, der venter på at blive udvundet. Selv om dets fulde opdagelse kan være eksperimentelt udfordrende, er det givende at vide, at det findes, og at vi kan forsøge at måle det i den nærmeste fremtid, ”sagde Loeb.
Denne forskning vil blive offentliggjort i en kommende udgave af Physical Review Letters og er i øjeblikket tilgængelig online på http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Hovedkvarter i Cambridge, Mass., Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics er et fælles samarbejde mellem Smithsonian Astrophysical Observatory og Harvard College Observatory. CfA-forskere, der er organiseret i seks forskningsafdelinger, studerer universets oprindelse, udvikling og ultimative skæbne.
Original kilde: Harvard CfA News Release
