Кредит зображення: NASA
Астрономи, які хочуть вивчити ранній Всесвіт, стикаються з фундаментальною проблемою. Як ви спостерігаєте за тим, що існувало в "темні століття", перш ніж утворилися перші зірки, щоб запалити це? Теоретики Абрахам Лоб і Матіас Залдарріага (Гарвард-Смітсоніанський центр астрофізики) знайшли рішення. Вони підрахували, що астрономи можуть виявити перші атоми у ранньому Всесвіті, шукаючи тіні, які вони кидають.
Щоб побачити тіні, спостерігач повинен вивчити космічний мікрохвильовий фон (CMB) - випромінювання, що залишилося з епохи рекомбінації. Коли Всесвіту було близько 370 000 років, він досить охолонув, щоб електрони та протони об'єдналися, рекомбінуючись в нейтральні атоми водню і дозволяючи реліктовому випромінюванню CMB з Великого вибуху майже безперешкодно проїхати через космос протягом останніх 13 мільярдів років.
З часом деякі фотони КМБ зіткнулися зі скупченнями водню і були поглинені. Шукаючи регіони з меншою кількістю фотонів - регіони, затінені воднем - астрономи можуть визначити розподіл речовини у самій ранній Всесвіті.
"Існує величезна кількість інформації, розміщеної на мікрохвильовому небі, яка може навчити нас про початкові умови Всесвіту з вишуканою точністю", - сказав Лоб.
Інфляція та темна матерія
Для поглинання фотонів CMB температура водню (конкретно його температура збудження) повинна бути нижчою, ніж температура випромінювання CMB - умови, які існували лише тоді, коли Всесвіту було віком від 20 до 100 мільйонів років (вік Всесвіту: 13,7 мільярда років). Випадково це також задовго до утворення будь-яких зірок або галактик, відкриваючи унікальне вікно в так звані "темні століття".
Вивчення тіней CMB також дозволяє астрономам спостерігати набагато менші структури, ніж це було можливо раніше, використовуючи такі інструменти, як супутник Анізотропічного зонда Вілкінсона (WMAP). Тіньова техніка дозволяє виявити скупчення водню у розмірі 30 000 світлових років у сучасному Всесвіті або еквівалент лише 300 світлових років у первісному Всесвіті. (Шкала зростає, коли Всесвіт розширюється.) Така роздільна здатність в 1000 разів краща, ніж роздільна здатність WMAP.
«Цей метод пропонує вікно у фізику самого раннього Всесвіту, а саме епоху інфляції, під час якої, як вважають, виникають коливання в розподілі речовини. Крім того, ми могли б визначити, чи нейтрино чи якийсь невідомий тип частинок суттєво сприяють кількості «темної речовини» у Всесвіті. Ці питання - що сталося в епоху інфляції та що є темною речовиною - є ключовими проблемами сучасної космології, відповіді на які дадуть фундаментальну думку про природу Всесвіту », - сказав Лоб.
Спостережний виклик
Атоми водню поглинають фотони CMB при конкретній довжині хвилі 21 сантиметр (8 дюймів). Розширення Всесвіту розтягує довжину хвилі у явищі, званому червоним зміщенням (оскільки довша довжина хвилі червонішає). Тому для спостереження 21-сантиметрового поглинання з раннього Всесвіту астрономи повинні дивитись на більш довгі хвилі від 6 до 21 метрів (20 на 70 футів) у радіочасті електромагнітного спектру.
Спостерігати тіні CMB на радіохвильовій довжині буде складно через перешкоди джерел неба переднього плану. Для збору точних даних астрономам доведеться використовувати радіотелескопи нового покоління, такі як низькочастотний масив (LOFAR) та квадратний кілометровий масив (SKA). Хоча спостереження будуть викликом, потенційна виплата є великою.
"Там є золота шахта інформації, яка чекає її вилучення. Незважаючи на те, що його повне виявлення може бути досвідченим, це корисно знати, що воно існує, і що ми можемо спробувати його виміряти в найближчому майбутньому ", - сказав Лоб.
Це дослідження буде опубліковано у наступному випуску листів з фізичного огляду, і наразі доступне в Інтернеті за адресою http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Штаб-квартира в м. Кембридж, штат Массачусетс, Гарвард-Смітсонівський центр астрофізики - це спільна співпраця між Смітсонівською астрофізичною обсерваторією та обсерваторією Гарвардського коледжу. Вчені CfA, організовані у шість наукових підрозділів, вивчають походження, еволюцію та остаточну долю Всесвіту.
Оригінальне джерело: Harvard CfA News Release
