Изобретение компьютерной томографии привело к революции в медицинской диагностике. В тех случаях, когда рентгеновское излучение дает только плоское двухмерное изображение человеческого тела, сканирование CAT обеспечивает более открытое трехмерное изображение. Для этого CAT-сканирование берет много виртуальных «срезов» в электронном виде и собирает их в 3D-изображение.
Теперь новая методика, похожая на компьютерную томографию, известную как томография, готова революционизировать изучение молодой вселенной и конец космического «темного века». В отчете «Nature» от 11 ноября 2004 года астрофизики Дж. Стюарт Б. Уайт (Мельбурнский университет) и Абрахам Леб (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) вычислили размер космических структур, которые будут измеряться, когда астрономы будут эффективно возьмите CAT-подобные изображения ранней вселенной. Эти измерения покажут, как развивалась Вселенная за первый миллиард лет существования.
«До сих пор мы были ограничены одним снимком детства Вселенной - космическим микроволновым фоном», - говорит Леб. «Эта новая техника позволит нам просмотреть весь альбом, полный детских фотографий вселенной. Мы можем наблюдать, как вселенная растет и взрослеет ».
Нарезка пространства
Суть метода томографии, описанного Уайтом и Лебом, заключается в изучении излучения с длиной волны 21 см от нейтральных атомов водорода. В нашей собственной галактике это излучение помогло астрономам составить карту сферического гало Млечного Пути. Чтобы составить карту далекой молодой вселенной, астрономы должны обнаружить 21-сантиметровое излучение, которое было смещено в красное смещение: растянуто на более длинные волны (и более низкие частоты) за счет расширения самого пространства.
Красное смещение напрямую связано с расстоянием. Чем дальше облако водорода от Земли, тем больше его излучение красного смещения. Поэтому, глядя на определенную частоту, астрономы могут сфотографировать «кусочек» Вселенной на определенном расстоянии. Пройдя через много частот, они могут сфотографировать много срезов и построить трехмерную картину вселенной.
«Томография - сложный процесс, и это одна из причин, почему это не было сделано раньше при очень больших красных смещениях», - говорит Уайте. «Но это также очень многообещающе, потому что это один из немногих методов, который позволит нам изучить первый миллиард лет истории вселенной».
Вселенная мыльного пузыря
Первый миллиард лет имеет решающее значение, потому что именно тогда первые звезды начали сиять, и первые галактики начали формироваться в компактные скопления. Эти звезды горели горячо, испуская огромное количество ультрафиолетового света, который ионизировал соседние атомы водорода, отщепляя электроны от протонов и рассеивая туман нейтрального газа, который заполнил раннюю вселенную.
Молодые скопления галактик вскоре были окружены пузырьками ионизированного газа, очень похожими на мыльные пузыри, плавающие в ванне с водой. По мере того как все больше ультрафиолетового света заливало пространство, пузырьки становились больше и постепенно слились воедино. В конце концов, примерно через миллиард лет после Большого взрыва, вся видимая вселенная была ионизирована.
Чтобы изучить раннюю вселенную, когда пузырьки были маленькими, а газ - в основном нейтральным, астрономы должны брать кусочки в пространстве, словно нарезая кусок швейцарского сыра. Леб говорит, что, как и с сыром, «если наши кусочки вселенной слишком узкие, мы будем продолжать бить по тем же пузырям. Взгляд никогда не изменится ».
Чтобы получить действительно полезные измерения, астрономы должны взять более крупные кусочки, которые попадают в разные пузырьки. Каждый срез должен быть шире, чем ширина обычного пузыря. Уай и Леб подсчитывают, что самые большие отдельные пузырьки достигли размеров в 30 миллионов световых лет в ранней Вселенной (что эквивалентно более чем 200 миллионам световых лет в современной расширенной вселенной). Эти важные прогнозы будут определять дизайн радиоинструментов для проведения томографических исследований.
Вскоре астрономы проверит предсказания Уайта и Лёба, используя набор антенн, настроенных для работы на частотах 100-200 мегагерц в красном смещенном 21-см водороде. Картирование неба на этих частотах чрезвычайно сложно из-за антропогенных помех (ТВ и FM-радио) и воздействия земной ионосферы на низкочастотные радиоволны. Тем не менее, новая недорогая электроника и компьютерные технологии сделают возможным широкое картографирование до конца десятилетия.
«Расчеты Стюарта и Ави прекрасны, потому что, как только мы построим наши массивы, предсказания станут простыми для проверки, когда мы впервые увидим раннюю вселенную», - говорит Смитсоновский радиоастроном Линкольн Гринхилл (CfA).
Гринхилл работает над созданием этих первых проблесков, предлагая оснастить очень большой массив Национального научного фонда необходимыми приемниками и электроникой, финансируемых Смитсоновским институтом. «Если повезет, мы создадим первые изображения раковин из горячего материала вокруг нескольких самых молодых квазаров во вселенной», - говорит Гринхилл.
Результаты Wyithe и Loeb также помогут руководить проектированием и разработкой радиообсерваторий следующего поколения, создаваемых с нуля, таких как европейский проект LOFAR и ряд предложений, предложенных американо-австралийским коллаборацией для строительства в тихой радиостанции. Западная Австралия.
Первоисточник: Пресс-релиз Гарварда CfA
