Attēla kredīts: NASA
Astronomi, kuri vēlas izpētīt agrīno Visumu, saskaras ar pamatproblēmu. Kā jūs novērojat to, kas pastāvēja “tumšajā laikmetā”, pirms izveidojās pirmās zvaigznes, lai to iedegtu? Teorētiķi Abraham Loeb un Matias Zaldarriaga (Hārvarda-Smitsona astrofizikas centrs) ir atraduši risinājumu. Viņi aprēķināja, ka astronomi var atklāt pirmos atomus agrīnajā Visumā, meklējot ēnas, kuras viņi met.
Lai redzētu ēnas, novērotājam jāizpēta kosmiskais mikroviļņu fons (CMB) - starojums, kas palicis no rekombinācijas laikmeta. Kad Visums bija aptuveni 370 000 gadu vecs, tas atdzisa pietiekami, lai elektroni un protoni varētu apvienoties, rekombinējoties neitrālos ūdeņraža atomos un ļaujot relikta CMB starojumam no Lielā sprādziena gandrīz netraucēti pārvietoties kosmosā pēdējos 13 miljardus gadu.
Laika gaitā daži no CMB fotoniem saskārās ar ūdeņraža gāzu krājumiem un tika absorbēti. Meklējot reģionus ar mazāk fotoniem - reģionus, kurus aizēno ūdeņradis - astronomi var noteikt matērijas izplatību ļoti agrīnā Visumā.
"Uz mikroviļņu debesīm ir iespiests ārkārtīgi daudz informācijas, kas mūs ar izsmalcinātu precizitāti varētu iemācīt par Visuma sākotnējiem apstākļiem," sacīja Loebs.
Inflācija un tumšā matērija
Lai absorbētu CMB fotonus, ūdeņraža temperatūrai (īpaši tās ierosināšanas temperatūrai) jābūt zemākai par CMB starojuma temperatūru - apstākļiem, kas pastāvēja tikai tad, kad Visums bija no 20 līdz 100 miljoniem gadu vecs (Visuma vecums: 13,7 miljardi gadu). Vienlaicīgi tas notiek arī pirms jebkuru zvaigžņu vai galaktiku veidošanās, atverot unikālu logu tā saucamajos “tumšajos laikmetos”.
CMB ēnu izpēte arī ļauj astronomiem novērot daudz mazākas struktūras, nekā tas bija iespējams iepriekš, izmantojot instrumentus, piemēram, Wilkinson mikroviļņu anizotropijas zondes (WMAP) satelītu. Ēnu tehnoloģija mūsdienu visumā var atklāt tik mazus ūdeņraža sabrukumus kā 30 000 gaismas gadus vai ekvivalents tikai 300 gaismas gadiem visā pirmatnējā Visumā. (Skala ir palielinājusies, paplašinoties visumam.) Šāda izšķirtspēja ir 1000 reizes labāka nekā WMAP izšķirtspēja.
“Šī metode piedāvā logu ļoti agrīnā Visuma fizikā, proti, inflācijas laikmetā, kurā, domājams, ir radušās vielas sadalījuma svārstības. Turklāt mēs varētu noteikt, vai neitrīno vai kāds nezināms daļiņu tips veicina “tumšās vielas” daudzumu Visumā. Šie jautājumi - kas notika inflācijas laikmetā un kas ir tumšā matērija - ir mūsdienu kosmoloģijas galvenās problēmas, kuru atbildes sniegs fundamentālu ieskatu Visuma dabā, ”sacīja Loebs.
Novērošanas izaicinājums
Ūdeņraža atomi absorbē CMB fotonus ar noteiktu viļņa garumu 21 centimetru (8 collas). Visuma paplašināšanās izstiepj viļņa garumu parādībā, ko sauc par sarkano nobīdi (jo garāks viļņa garums ir sarkanāks). Tāpēc, lai novērotu 21 cm absorbciju no agrīnā Visuma, astronomiem elektromagnētiskā spektra radio daļā ir jāaplūko garāki viļņu garumi, kas ir no 6 līdz 21 metram (20 līdz 70 pēdas).
CMB ēnas novērot radioviļņu garumā būs grūti, jo traucē priekšplāna debesu avoti. Lai savāktu precīzus datus, astronomiem būs jāizmanto nākamās paaudzes radioteleskopi, piemēram, zemo frekvenču masīvs (LOFAR) un kvadrātkilometru masīvs (SKA). Lai gan novērojumi būs izaicinājums, potenciālā izmaksa ir lieliska.
“Tur ir zelta raktuve, kas gaida ieguvi. Lai arī tā pilnīga atklāšana var būt eksperimentāli izaicinoša, tas ir gandarījums, ja zināt, ka tā pastāv un ka tuvākajā laikā varam mēģināt to izmērīt, ”sacīja Loebs.
Šis pētījums tiks publicēts gaidāmajā Physical Review Letters numurā, un šobrīd tas ir pieejams tiešsaistē vietnē http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Hārvarda-Smitsona astrofizikas centrs, kura galvenā mītne atrodas Kembridžā, Masačūsetsa, ir Smitsona astrofizikas observatorijas un Hārvarda koledžas observatorijas kopīga sadarbība. CfA zinātnieki, kas ir sadalīti sešās pētniecības nodaļās, pēta Visuma izcelsmi, attīstību un galveno likteni.
Oriģinālais avots: Hārvarda CfA ziņu izlaidums
