Afbeelding tegoed: NASA
Astronomen die het vroege heelal willen bestuderen, staan voor een fundamenteel probleem. Hoe observeer je wat er bestond in de "donkere tijdperken", voordat de eerste sterren gevormd werden om het op te lichten? Theoretici Abraham Loeb en Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) hebben een oplossing gevonden. Ze berekenden dat astronomen de eerste atomen in het vroege heelal kunnen detecteren door te zoeken naar de schaduwen die ze werpen.
Om de schaduwen te zien, moet een waarnemer de kosmische microgolfachtergrond (CMB) bestuderen - straling die overblijft uit het tijdperk van recombinatie. Toen het universum ongeveer 370.000 jaar oud was, koelde het voldoende om elektronen en protonen te verenigen, recombineerde het in neutrale waterstofatomen en liet het de overblijfselen CMB-straling van de oerknal de afgelopen 13 miljard jaar bijna ongehinderd door de kosmos reizen.
In de loop van de tijd stuitten enkele van de CMB-fotonen op klonten waterstofgas en werden ze geabsorbeerd. Door te zoeken naar gebieden met minder fotonen - gebieden die worden overschaduwd door waterstof - kunnen astronomen de verspreiding van materie in het zeer vroege heelal bepalen.
"Er is een enorme hoeveelheid informatie op de hemel van de magnetron gedrukt die ons met buitengewone precisie zou kunnen leren over de beginomstandigheden van het universum", zei Loeb.
Inflatie en donkere materie
Om CMB-fotonen te absorberen, moet de waterstoftemperatuur (met name de excitatietemperatuur) lager zijn dan de temperatuur van de CMB-straling - omstandigheden die alleen bestonden toen het heelal tussen de 20 en 100 miljoen jaar oud was (leeftijd van het heelal: 13,7 miljard jaar). Toevallig is dit ook ruim voor de vorming van sterren of sterrenstelsels, wat een uniek venster opent naar de zogenaamde "donkere eeuwen".
Door CMB-schaduwen te bestuderen, kunnen astronomen ook veel kleinere structuren observeren dan voorheen mogelijk was met instrumenten zoals de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -satelliet. De schaduwtechniek kan waterstofklonten detecteren die zo klein zijn als 30.000 lichtjaar in het huidige universum, of het equivalent van slechts 300 lichtjaar in het oeruniversum. (De schaal is groter geworden naarmate het universum zich uitbreidt.) Een dergelijke resolutie is een factor 1000 keer beter dan de resolutie van WMAP.
“Deze methode biedt een venster op de fysica van het zeer vroege heelal, namelijk het tijdperk van inflatie waarin wordt aangenomen dat fluctuaties in de verspreiding van materie zijn geproduceerd. Bovendien konden we bepalen of neutrino's of een onbekend type deeltje substantieel bijdragen aan de hoeveelheid ‘donkere materie’ in het universum. Deze vragen - wat er gebeurde tijdens het tijdperk van inflatie en wat donkere materie is - zijn sleutelproblemen in de moderne kosmologie, waarvan de antwoorden fundamentele inzichten zullen opleveren in de aard van het universum, 'zei Loeb.
Een observationele uitdaging
Waterstofatomen absorberen CMB-fotonen met een specifieke golflengte van 21 centimeter (8 inch). De uitdijing van het heelal strekt de golflengte uit in een fenomeen dat roodverschuiving wordt genoemd (omdat een langere golflengte roder is). Daarom moeten astronomen om absorptie van 21 cm uit het vroege heelal te observeren, kijken naar langere golflengten van 6 tot 21 meter (20 tot 70 voet) in het radiogedeelte van het elektromagnetische spectrum.
Het waarnemen van CMB-schaduwen op radiogolflengten zal moeilijk zijn vanwege interferentie door bronnen op de voorgrond. Om nauwkeurige gegevens te verzamelen, zullen astronomen de volgende generatie radiotelescopen moeten gebruiken, zoals de Low Frequency Array (LOFAR) en de Square Kilometre Array (SKA). Hoewel de observaties een uitdaging zullen zijn, is de potentiële opbrengst groot.
'Er wacht een goudmijn aan informatie die moet worden gewonnen. Hoewel de volledige detectie experimenteel uitdagend kan zijn, is het de moeite waard om te weten dat het bestaat en dat we kunnen proberen het in de nabije toekomst te meten, '' zei Loeb.
Dit onderzoek zal worden gepubliceerd in een aankomend nummer van Physical Review Letters en is momenteel online beschikbaar op http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, met hoofdkantoor in Cambridge, Massachusetts, is een gezamenlijke samenwerking tussen het Smithsonian Astrophysical Observatory en het Harvard College Observatory. CfA-wetenschappers, georganiseerd in zes onderzoeksdivisies, bestuderen de oorsprong, evolutie en het uiteindelijke lot van het universum.
Oorspronkelijke bron: Harvard CfA News Release
