Opfindelsen af CAT-scanningen førte til en revolution inden for medicinsk diagnose. Hvor røntgenstråler kun giver et fladt to-dimensionelt billede af den menneskelige krop, giver en CAT-scanning et mere afslørende tredimensionelt billede. For at gøre dette tager CAT-scanninger mange virtuelle "skiver" elektronisk og samler dem til et 3D-billede.
Nu er en ny teknik, der ligner CAT-scanninger, kendt som tomografi, klar til at revolutionere studiet af det unge univers og afslutningen på den kosmiske ”mørke tidsalder”. Rapportering i 11. november 2004, udgave af Nature, astrofysikere J. Stuart B. Wyithe (University of Melbourne) og Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) har beregnet størrelsen på kosmiske strukturer, der måles, når astronomer effektivt tage CAT-scanningslignende billeder af det tidlige univers. Disse målinger vil vise, hvordan universet udviklede sig i løbet af dets første milliard år af eksistens.
”Indtil nu har vi været begrænset til et enkelt øjebliksbillede af universets barndom - den kosmiske mikrobølgebakgrund,” siger Loeb. ”Denne nye teknik giver os mulighed for at se et helt album fuld af universets babyfotos. Vi kan se universet vokse op og blive modent. ”
Skæring plads
Hjertet i tomografiteknikken beskrevet af Wyithe og Loeb er undersøgelsen af 21 centimeter bølgelængdestråling fra neutrale hydrogenatomer. I vores egen galakse har denne stråling hjulpet astronomer med at kortlægge Mælkevejens sfæriske glorie. For at kortlægge det fjerne unge univers skal astronomer opdage 21 cm stråling, der er blevet omskiftet: strakt til længere bølgelængder (og lavere frekvenser) ved udvidelsen af selve rummet.
Redshift er direkte korreleret til afstand. Jo længere en sky af brint er fra Jorden, jo mere forskydes dens stråling. Derfor kan astronomer ved at se på en bestemt frekvens fotografere en "skive" af universet i en bestemt afstand. Ved at gå gennem mange frekvenser kan de fotografere mange skiver og opbygge et tredimensionelt billede af universet.
”Tomografi er en kompliceret proces, hvilket er en af grundene til, at det ikke er blevet gjort før ved meget høje rødskift,” siger Wyithe. ”Men det er også meget lovende, fordi det er en af de få teknikker, der lader os studere de første milliarder år i universets historie.”
Et sæbebobleunivers
De første milliarder år er kritiske, fordi det var, da de første stjerner begyndte at skinne, og de første galakser begyndte at danne sig i kompakte klynger. Disse stjerner brændte varmt og udsendte enorme mængder ultraviolet lys, der ioniserede nærliggende hydrogenatomer, splittede elektroner fra protoner og fjernede tågen med neutral gas, der fyldte det tidlige univers.
Unge galakse klynger blev snart omgivet af bobler af ioniseret gas meget som sæbebobler flydende i et karbad. Efterhånden som mere ultraviolet lys oversvømmet pladsen, voksede boblerne større og gradvist smeltede sammen. Til sidst, omkring en milliard år efter Big Bang, blev hele det synlige univers ioniseret.
For at studere det tidlige univers, når boblerne var små og gassen for det meste neutrale, skal astronomer tage skiver gennem rummet, som om de skærer en blok schweizisk ost. Loeb siger, at ligesom med ost, "hvis vores skiver af universet er for smalle, vil vi fortsætte med at slå de samme bobler. Udsigten vil aldrig ændre sig. ”
For at få virkelig nyttige målinger skal astronomer tage større skiver, der rammer forskellige bobler. Hver skive skal være bredere end bredden af en typisk boble. Wyithe og Loeb beregner, at de største individuelle bobler nåede størrelser på ca. 30 millioner lysår i det tidlige univers (svarende til mere end 200 millioner lysår i det udvidede univers i dag). Disse afgørende forudsigelser vil lede designet af radioinstrumenter til at udføre tomografiske undersøgelser.
Astronomer vil snart teste Wyithe og Loebs forudsigelser ved hjælp af en række antenner, der er indstillet til at arbejde på 100-200 megahertz-frekvenserne med rødskiftet 21 cm brint. Kortlægning af himlen ved disse frekvenser er ekstremt vanskeligt på grund af menneskeskabt interferens (TV og FM-radio) og jordens ionosfære effekter på lavfrekvente radiobølger. Imidlertid vil nye billige elektronik- og computerteknologier muliggøre omfattende kortlægning inden udgangen af tiåret.
”Stuart og Avis beregninger er smukke, fordi når vi først har opbygget vores arrays, vil forudsigelserne være enkle at teste, når vi tager vores første glimt af det tidlige univers,” siger Smithsonian radioastronom Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill arbejder på at skabe de første glimt gennem et forslag om at udstyre National Science Foundation's Very Large Array med de nødvendige modtagere og elektronik, finansieret af Smithsonian. ”Med held vil vi skabe de første billeder af skaller af varmt materiale omkring flere af de yngste kvasarer i universet,” siger Greenhill.
Wyithe og Loebs resultater vil også hjælpe med at guide designet og udviklingen af næste generations radioobservatorier, der bygges helt fra bunden, såsom det europæiske LOFAR-projekt og en række foreslået af et amerikansk-australsk samarbejde om konstruktion i den radiostille outback af Western Australia.
Original kilde: Harvard CfA News Release
