Obrazový kredit: NASA
Astronomové, kteří chtějí studovat raný vesmír, čelí zásadnímu problému. Jak pozorujete, co existovalo během „temných věků“, než se první hvězdy vytvořily, aby se rozsvítily? Teoretici Abraham Loeb a Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonianovo centrum pro astrofyziku) našli řešení. Vypočítali, že astronomové mohou detekovat první atomy v ranném vesmíru hledáním stínů, které vrhají.
Chcete-li vidět stíny, musí pozorovatel studovat pozadí kosmického mikrovlnného záření (CMB) - záření, které zbylo z doby rekombinace. Když byl vesmír asi 370 000 let, dostatečně ochladil, aby se mohly sjednotit elektrony a protony, rekombinovat se do neutrálních atomů vodíku a umožnit relikvnímu CMB záření z Velkého třesku cestovat téměř bez překážek vesmírem za posledních 13 miliard let.
Postupem času se některé fotony CMB setkaly se shluky plynného vodíku a byly absorbovány. Hledáním oblastí s menším počtem fotonů - oblastí, které jsou stíněny vodíkem - mohou astronomové určit rozdělení hmoty ve velmi raném vesmíru.
"Na mikrovlnné obloze je natištěno obrovské množství informací, které by nás mohly s prvotřídní přesností naučit o počátečních podmínkách vesmíru," řekl Loeb.
Inflace a temná hmota
Aby absorbovaly fotony CMB, musí být teplota vodíku (konkrétně jeho excitační teplota) nižší než teplota záření CMB - podmínky, které existovaly pouze tehdy, když byl vesmír mezi 20 a 100 miliony let (věk vesmíru: 13,7 miliard let). Shodou okolností je to také dlouho před vytvořením hvězd nebo galaxií, které otevírá jedinečné okno do takzvaných „temných věků“.
Studium stínů CMB také umožňuje astronomům pozorovat mnohem menší struktury, než bylo možné dříve pomocí nástrojů, jako je satelit Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Stínová technika dokáže v současném vesmíru detekovat vodíkové shluky až 30 000 světelných let, nebo ekvivalent pouhých 300 světelných let v pravěku. (Měřítko se zvětšovalo s rozšiřováním vesmíru.) Takové rozlišení je 1000krát lepší než rozlišení WMAP.
„Tato metoda nabízí okno do fyziky velmi raného vesmíru, konkrétně epochu inflace, během níž se předpokládá, že došlo k výkyvům v distribuci hmoty. Navíc bychom mohli určit, zda neutrina nebo nějaký neznámý typ částice podstatně přispívají k množství „temné hmoty“ ve vesmíru. Tyto otázky - co se stalo během epochy inflace a co je temná hmota - jsou klíčové problémy moderní kosmologie, jejichž odpovědi poskytnou základní vhled do podstaty vesmíru, “řekl Loeb.
Pozorovací výzva
Atomy vodíku absorbují fotony CMB při specifické vlnové délce 21 centimetrů (8 palců). Expanze vesmíru táhne vlnovou délku ve jevu zvaném redshifting (protože delší vlnová délka je červenější). Proto, aby astronomové pozorovali absorpci 21 cm od raného vesmíru, musí se dívat na delší vlnové délky 6 až 21 metrů (20 až 70 stop), v rádiové části elektromagnetického spektra.
Pozorování stínů CMB na rádiových vlnových délkách bude obtížné kvůli rušení zdroji oblohy v popředí. Ke sběru přesných dat budou muset astronomové použít příští generaci rádiových dalekohledů, jako je nízkofrekvenční pole (LOFAR) a pole čtverečných kilometrů (SKA). Ačkoli pozorování bude výzvou, potenciální návratnost je skvělá.
"Tam venku je zlatý důl informací, který čeká na vytažení." I když její úplné odhalení může být experimentálně náročné, vyplatí se vědět, že existuje, a že se můžeme v blízké budoucnosti pokusit o jeho měření, “řekl Loeb.
Tento výzkum bude zveřejněn v nadcházejícím vydání Fyzických přehledových dopisů a v současné době je k dispozici online na adrese http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Harvard-Smithsonianovo centrum pro astrofyziku se sídlem v Cambridge, Massachusetts, je společnou spoluprací mezi Smithsonianskou astrofyzikální observatoří a Harvard College Observatory. Vědci CfA, organizovaní do šesti výzkumných divizí, studují původ, vývoj a konečný osud vesmíru.
Původní zdroj: Harvard CfA News Release
