Изображение предоставлено NASA
Астрономы, которые хотят изучать раннюю вселенную, сталкиваются с фундаментальной проблемой. Как вы наблюдаете, что существовало в «темные века», до того, как появились первые звезды, чтобы осветить это? Теоретики Авраам Леб и Матиас Залдарриага (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) нашли решение. Они подсчитали, что астрономы могут обнаружить первые атомы в ранней вселенной, ища тени, которые они отбрасывают.
Чтобы увидеть тени, наблюдатель должен изучить космический микроволновый фон (CMB) - излучение, оставшееся с эпохи рекомбинации. Когда Вселенной было около 370000 лет, она достаточно остыла для объединения электронов и протонов, рекомбинируя в нейтральные атомы водорода и позволяя реликтовому излучению CMB от Большого взрыва перемещаться по космосу почти беспрепятственно в течение последних 13 миллиардов лет.
Со временем некоторые из фотонов CMB столкнулись с скоплениями газообразного водорода и были поглощены. Ища области с меньшим количеством фотонов - области, которые затенены водородом - астрономы могут определить распределение вещества в очень ранней Вселенной.
«На микроволновом небе запечатлено огромное количество информации, которая может с высокой точностью рассказать нам о начальных условиях Вселенной», - сказал Леб.
Инфляция и Темная Материя
Для поглощения фотонов CMB температура водорода (в частности, его температура возбуждения) должна быть ниже температуры излучения CMB - условий, которые существовали только тогда, когда Вселенной было от 20 до 100 миллионов лет (возраст Вселенной: 13,7 миллиардов лет). По совпадению, это также задолго до образования каких-либо звезд или галактик, открывая уникальное окно в так называемые «темные века».
Изучение теней CMB также позволяет астрономам наблюдать гораздо меньшие структуры, чем это было возможно ранее с использованием таких инструментов, как спутник Уилкинсона для микроволновой анизотропии (WMAP). Техника теней может обнаруживать скопления водорода размером до 30 000 световых лет в современной вселенной, или эквивалент только 300 световых лет в изначальной вселенной. (Масштаб увеличивался по мере расширения вселенной.) Такое разрешение в 1000 раз лучше, чем разрешение WMAP.
«Этот метод открывает окно в физику самой ранней вселенной, а именно эпоху инфляции, в течение которой, как считается, были произведены колебания в распределении материи. Более того, мы могли бы определить, вносят ли нейтрино или какой-либо неизвестный тип частиц существенный вклад в количество «темной материи» во вселенной. Эти вопросы - что произошло в эпоху инфляции и что такое темная материя - являются ключевыми проблемами в современной космологии, ответы на которые дадут фундаментальное понимание природы вселенной », - сказал Леб.
Наблюдательный вызов
Атомы водорода поглощают фотоны CMB на определенной длине волны 21 сантиметра (8 дюймов). Расширение Вселенной растягивает длину волны в явлении, называемом красным смещением (потому что большая длина волны более красная). Следовательно, чтобы наблюдать 21-сантиметровое поглощение из ранней Вселенной, астрономы должны смотреть на более длинную волну от 6 до 21 метра (20–70 футов) в радиодиапазоне электромагнитного спектра.
Наблюдение теней CMB на радиоволнах будет затруднено из-за помех от источников неба на переднем плане. Для сбора точных данных астрономам придется использовать радиотелескопы следующего поколения, такие как низкочастотный массив (LOFAR) и квадратный километраж (SKA). Хотя наблюдения будут проблемой, потенциальная отдача велика.
«Там золотой рудник информации, ожидающий, чтобы быть добытым. Хотя его полное обнаружение может быть экспериментально сложным, полезно знать, что оно существует и что мы можем попытаться измерить его в ближайшем будущем », - сказал Леб.
Это исследование будет опубликовано в следующем выпуске Physical Review Letters и в настоящее время доступно в Интернете по адресу http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики со штаб-квартирой в Кембридже, штат Массачусетс, является совместным сотрудничеством Смитсоновской астрофизической обсерватории и обсерватории Гарвардского колледжа. Ученые CfA, объединенные в шесть исследовательских отделов, изучают происхождение, эволюцию и судьбу вселенной.
Первоисточник: Пресс-релиз Гарварда CfA
