Credit de imagine: NASA
Astronomii care doresc să studieze universul timpuriu se confruntă cu o problemă fundamentală. Cum observați ce a existat în „veacurile întunecate”, înainte ca primele stele să se formeze? Teoreticienii Abraham Loeb și Matias Zaldarriaga (Centrul pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian) au găsit o soluție. Ei au calculat că astronomii pot detecta primii atomi din universul timpuriu căutând umbrele pe care le aruncă.
Pentru a vedea umbrele, un observator trebuie să studieze fundalul cu microunde cosmic (CMB) - radiație rămasă din era recombinării. Când universul avea aproximativ 370.000 de ani, acesta s-a răcit suficient pentru ca electronii și protonii să se unească, recombinându-se în atomi de hidrogen neutru și permițând radiației CMB relicvă din Big Bang să călătorească aproape fără obstacole în cosmos în ultimii 13 miliarde de ani.
De-a lungul timpului, unii dintre fotonii CMB au întâlnit grupe de hidrogen gaz și au fost absorbiți. Căutând regiuni cu mai puțini fotoni - regiuni care sunt umbrite de hidrogen - astronomii pot determina distribuția materiei în universul foarte timpuriu.
„Există o cantitate enormă de informații imprimate pe cerul cu microunde care ne-ar putea învăța despre condițiile inițiale ale universului cu o precizie rafinată”, a spus Loeb.
Inflația și materia întunecată
Pentru a absorbi fotonii CMB, temperatura hidrogenului (în special temperatura de excitație) trebuie să fie mai mică decât temperatura radiației CMB - condiții care existau doar când universul avea între 20 și 100 de milioane de ani (vârsta Universului: 13,7 miliarde de ani). Întâmplător, acest lucru este și înainte de formarea oricărei stele sau galaxii, deschizând o fereastră unică în așa-numitele „epoci întunecate”.
Studierea umbrelor CMB permite, de asemenea, astronomilor să observe structuri mult mai mici decât era posibil anterior folosind instrumente precum satelitul Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Tehnica de umbră poate detecta pâlcuri de hidrogen cât mai mici de 30.000 de ani-lumină în universul actual, sau echivalentul a doar 300 de ani-lumină în universul primordial. (Scara a devenit mai mare pe măsură ce universul s-a extins.) O astfel de rezoluție este un factor de 1000 de ori mai bun decât rezoluția WMAP.
„Această metodă oferă o fereastră către fizica universului foarte timpuriu, și anume perioada de inflație în care se crede că au fost produse fluctuații în distribuția materiei. Mai mult, am putea determina dacă neutrinii sau un tip de particule necunoscut contribuie substanțial la cantitatea de „materie întunecată” din univers. Aceste întrebări - ce s-a întâmplat în epoca inflației și ceea ce este materia întunecată - sunt probleme cheie în cosmologia modernă ale cărei răspunsuri vor oferi informații fundamentale asupra naturii universului ”, a spus Loeb.
O provocare observațională
Atomi de hidrogen absorb fotoni CMB la o lungime de undă specifică de 21 de centimetri (8 inci). Expansiunea universului întinde lungimea de undă într-un fenomen numit redshifting (deoarece o lungime de undă mai lungă este mai roșie). Prin urmare, pentru a observa absorbția de 21 cm din universul timpuriu, astronomii trebuie să privească lungimi de undă mai lungi de 6 până la 21 de metri, în porțiunea radio a spectrului electromagnetic.
Observarea umbrelor CMB la lungimile de undă radio va fi dificilă datorită interferenței surselor cerului prim-plan. Pentru a colecta date exacte, astronomii vor trebui să utilizeze următoarea generație de telescoape radio, cum ar fi matricea de frecvență joasă (LOFAR) și kilometrul pătrat de kilometri (SKA) Deși observațiile vor fi o provocare, remunerația potențială este mare.
„Există o mină de aur cu informații care așteaptă să fie extrase. Deși detectarea completă a acestuia poate fi provocatoare experimental, este satisfăcător să știm că există și că putem încerca să o măsurăm în viitorul apropiat ”, a declarat Loeb.
Această cercetare va fi publicată într-o ediție viitoare din Physical Review Letters, iar în prezent este disponibilă online la http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Cu sediul în Cambridge, Mass., Centrul pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian este o colaborare comună între Smithsonian Astrophysical Observatory și Harvard College Observatory. Oamenii de știință CfA, organizați în șase divizii de cercetare, studiază originea, evoluția și soarta finală a universului.
Sursa originală: Comunicat de presă Harvard CfA
