เครดิตรูปภาพ: NASA
นักดาราศาสตร์ที่ต้องการศึกษาเอกภพยุคแรกเผชิญกับปัญหาพื้นฐาน คุณสังเกตสิ่งที่มีอยู่ในช่วง“ ยุคมืด” ก่อนที่ดาวดวงแรกที่ก่อตัวขึ้นเพื่อจุดสว่างขึ้นได้อย่างไร นักทฤษฎี Abraham Loeb และ Matias Zaldarriaga (ศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียน) ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหา พวกเขาคำนวณว่านักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับอะตอมแรกในเอกภพยุคแรกได้โดยมองหาเงาที่พวกมันร่าย
หากต้องการดูเงาผู้สังเกตการณ์ต้องศึกษาพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิค (CMB) - การแผ่รังสีที่เหลือจากยุคของการรวมตัวกันใหม่ เมื่อเอกภพมีอายุประมาณ 370,000 ปีมันเย็นตัวลงมากพอสำหรับอิเล็กตรอนและโปรตอนที่จะรวมตัวกันรวมตัวกันเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางและปล่อยให้รังสี CMB ที่ระลึกจากบิ๊กแบงเดินทางไปโดยไม่มีการขัดขวางข้ามจักรวาลในช่วง 13 พันล้านปีที่ผ่านมา
เมื่อเวลาผ่านไปโฟตอนบางส่วนของ CMB จะพบกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนและถูกดูดซับ ด้วยการค้นหาพื้นที่ที่มีโฟตอนน้อยกว่า - พื้นที่ที่มีเงาของไฮโดรเจน - นักดาราศาสตร์สามารถกำหนดการกระจายของสสารในเอกภพยุคแรก ๆ
“ มีข้อมูลจำนวนมหาศาลที่ประทับบนท้องฟ้าไมโครเวฟซึ่งสามารถสอนเราเกี่ยวกับเงื่อนไขเริ่มต้นของจักรวาลด้วยความแม่นยำที่ยอดเยี่ยม” Loeb กล่าว
เงินเฟ้อและสสารมืด
ในการดูดซับโฟตอน CMB อุณหภูมิไฮโดรเจน (โดยเฉพาะอุณหภูมิการกระตุ้น) จะต้องต่ำกว่าอุณหภูมิของรังสี CMB - เงื่อนไขที่มีอยู่เฉพาะเมื่อเอกภพมีอายุระหว่าง 20 ถึง 100 ล้านปี (อายุของจักรวาล: 13.7 พันล้านปี) โดยบังเอิญนี่เป็นสิ่งที่ดีก่อนที่จะมีการก่อตัวของดาวฤกษ์หรือกาแล็กซี่โดยเปิดหน้าต่างที่ไม่เหมือนใครในยุคมืด
การศึกษาเงาของ CMB ยังช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถสังเกตโครงสร้างที่เล็กกว่าที่เป็นไปได้ก่อนหน้านี้โดยใช้เครื่องมือเช่นดาวเทียม Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) เทคนิคเงาสามารถตรวจจับกลุ่มไฮโดรเจนมีขนาดเล็กเพียง 30,000 ปีแสงในจักรวาลปัจจุบันหรือเทียบเท่าเพียง 300 ปีแสงทั่วจักรวาลยุคแรก (สเกลขยายใหญ่ขึ้นเมื่อเอกภพขยายตัว) ความละเอียดดังกล่าวเป็นปัจจัยที่ดีกว่าความละเอียด WMAP ถึง 1,000 เท่า
“ วิธีการนี้นำเสนอหน้าต่างสู่ฟิสิกส์ของเอกภพยุคแรก ๆ นั่นคือยุคของภาวะเงินเฟ้อซึ่งเชื่อว่าความผันผวนของการกระจายสสารเกิดขึ้น ยิ่งกว่านั้นเราสามารถระบุได้ว่านิวตริโนหรืออนุภาคบางชนิดที่ไม่รู้จักนั้นมีส่วนสำคัญต่อ 'สสารมืด' ในจักรวาลหรือไม่ คำถามเหล่านี้ - สิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างยุคเงินเฟ้อและสสารมืด - เป็นปัญหาสำคัญในจักรวาลวิทยายุคใหม่ซึ่งคำตอบจะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับธรรมชาติของจักรวาล "Loeb กล่าว
การสังเกตที่ท้าทาย
อะตอมไฮโดรเจนดูดซับโฟตอน CMB ที่ความยาวคลื่นเฉพาะของ 21 เซนติเมตร (8 นิ้ว) การขยายตัวของเอกภพขยายความยาวคลื่นในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า redshifting (เพราะความยาวคลื่นที่ยาวกว่าคือสีแดง) ดังนั้นในการสังเกตการดูดกลืน 21 ซม. จากเอกภพยุคแรกนักดาราศาสตร์จะต้องดูความยาวคลื่น 6 ถึง 21 เมตร (20 ถึง 70 ฟุต) อีกต่อไปในส่วนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การสังเกตเงาของ CMB ที่ความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุจะทำได้ยากเนื่องจากการรบกวนโดยแหล่งท้องฟ้าเบื้องหน้า ในการรวบรวมข้อมูลที่แม่นยำนักดาราศาสตร์จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุรุ่นต่อไปเช่นอาร์เอฟความถี่ต่ำ (LOFAR) และสแควร์มิเตอร์กิโลเมตร (SKA) แม้ว่าการสำรวจจะเป็นสิ่งที่ท้าทาย
“ มีข้อมูลเหมืองทองรอการสกัดอยู่ ในขณะที่การตรวจจับเต็มรูปแบบอาจเป็นการทดลองที่ท้าทาย แต่ก็เป็นรางวัลที่รู้ว่ามีอยู่จริงและเราสามารถพยายามวัดได้ในอนาคตอันใกล้นี้” Loeb กล่าว
งานวิจัยนี้จะได้รับการตีพิมพ์ในจดหมายแสดงความเห็นทางกายภาพที่กำลังจะจัดขึ้นและขณะนี้มีให้บริการออนไลน์ที่ http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134
ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียนมีสำนักงานใหญ่อยู่ที่เคมบริดจ์เป็นความร่วมมือระหว่างหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมิ ธ โซเนียนและหอดูดาววิทยาลัยฮาร์วาร์ด นักวิทยาศาสตร์ของ CfA จัดแบ่งเป็นหกแผนกวิจัยศึกษาที่มาวิวัฒนาการและชะตากรรมสุดท้ายของจักรวาล
แหล่งที่มาเดิม: ข่าวจาก Harvard CfA
