Изображение предоставлено НАСА.
Астрономы, желающие изучить раннюю Вселенную, сталкиваются с фундаментальной проблемой. Как вы наблюдаете за тем, что существовало в «темные века», до того, как образовались первые звезды, чтобы их осветить? Теоретики Абрахам Леб и Матиас Залдарриага (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) нашли решение. Они подсчитали, что астрономы могут обнаружить первые атомы в ранней Вселенной, ища отбрасываемые ими тени.
Чтобы увидеть тени, наблюдатель должен изучить космический микроволновый фон (CMB) - излучение, оставшееся после эпохи рекомбинации. Когда Вселенной было около 370000 лет, она остыла настолько, что электроны и протоны могли объединиться, рекомбинируя в нейтральные атомы водорода и позволяя реликтовому реликтовому излучению от Большого взрыва почти беспрепятственно путешествовать по космосу в течение последних 13 миллиардов лет.
Со временем некоторые из фотонов реликтового излучения натолкнулись на сгустки газообразного водорода и были поглощены. Ища области с меньшим количеством фотонов - области, которые затенены водородом - астрономы могут определить распределение материи в очень ранней Вселенной.
«На микроволновом небе запечатлено огромное количество информации, которая может рассказать нам о начальных условиях Вселенной с исключительной точностью», - сказал Лоеб.
Инфляция и темная материя
Чтобы поглотить фотоны реликтового излучения, температура водорода (в частности, температура его возбуждения) должна быть ниже температуры реликтового излучения - условия, которые существовали только тогда, когда Вселенной было от 20 до 100 миллионов лет ( возраст Вселенной : 13,7 миллиарда лет). По совпадению, это также произошло задолго до образования каких-либо звезд или галактик, открывая уникальное окно в так называемые «темные века».
Изучение теней реликтового излучения также позволяет астрономам наблюдать структуры гораздо меньшего размера, чем это было возможно ранее с помощью таких инструментов, как спутник Уилкинсона Микроволновый зонд анизотропии (WMAP). Теневой метод позволяет обнаруживать сгустки водорода размером до 30 000 световых лет в поперечнике современной Вселенной, что в изначальной Вселенной составляет всего 300 световых лет в поперечнике. (Масштаб увеличивался по мере расширения Вселенной.) Такое разрешение в 1000 раз лучше, чем разрешение WMAP.
«Этот метод открывает окно в физику очень ранней Вселенной, а именно в эпоху инфляции, во время которой, как полагают, возникли флуктуации в распределении материи. Более того, мы могли бы определить, вносят ли нейтрино или какой-то 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 современной космологии, ответы на которые позволят получить фундаментальное понимание природы Вселенной », - сказал Леб.
Наблюдательный вызов
Атомы водорода поглощают фотоны реликтового излучения с определенной длиной волны 21 сантиметр (8 дюймов). Расширение Вселенной приводит к увеличению длины волны в результате явления, называемого красным смещением (потому что чем длиннее волна, тем краснее). Следовательно, чтобы наблюдать 21-сантиметровое поглощение из ранней Вселенной, астрономы должны смотреть на более длинные волны от 6 до 21 метра (от 20 до 70 футов) в радиочастоте электромагнитного спектра.
Наблюдение за тенями реликтового излучения 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 Low Frequency Array (LOFAR) и Square Kilometer Array (SKA). Хотя наблюдения будут сложной задачей, потенциальная выгода велика.
«Есть золотая жила информации, ожидающая извлечения. Хотя его полное обнаружение может оказаться сложной задачей с экспериментальной точки зрения, приятно знать, что он существует и что мы можем попытаться измерить его в ближайшем будущем », - сказал Лоеб.
Это исследование будет опубликовано в следующем выпуске Physical Review Letters, и в настоящее время оно 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 проектом Смитсоновской астрофизической обсерватории и обсерватории Гарвардского колледжа. Ученые CfA, объединенные в шесть исследовательских подразделений, изучают происхождение, эволюцию и окончательную судьбу Вселенной.
Первоисточник: Пресс-релиз Harvard CfA
