Bildnachweis: NASA
Astronomen, die das frühe Universum studieren wollen, stehen vor einem grundlegenden Problem. Wie beobachten Sie, was in den „dunklen Zeiten“ existierte, bevor sich die ersten Sterne bildeten, um es zu beleuchten? Die Theoretiker Abraham Loeb und Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) haben eine Lösung gefunden. Sie berechneten, dass Astronomen die ersten Atome im frühen Universum entdecken können, indem sie nach den Schatten suchen, die sie werfen.
Um die Schatten zu sehen, muss ein Beobachter den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) untersuchen - Strahlung aus der Zeit der Rekombination. Als das Universum etwa 370.000 Jahre alt war, kühlte es sich so weit ab, dass sich Elektronen und Protonen vereinigten, sich zu neutralen Wasserstoffatomen rekombinierten und die Relikt-CMB-Strahlung des Urknalls in den letzten 13 Milliarden Jahren nahezu ungehindert durch den Kosmos wanderte.
Im Laufe der Zeit stießen einige der CMB-Photonen auf Wasserstoffgasklumpen und wurden absorbiert. Durch die Suche nach Regionen mit weniger Photonen - Regionen, die von Wasserstoff beschattet werden - können Astronomen die Verteilung der Materie im sehr frühen Universum bestimmen.
"Es gibt eine enorme Menge an Informationen auf dem Mikrowellenhimmel, die uns mit exquisiter Präzision über die Anfangsbedingungen des Universums informieren könnten", sagte Loeb.
Inflation und Dunkle Materie
Um CMB-Photonen zu absorbieren, muss die Wasserstofftemperatur (insbesondere die Anregungstemperatur) niedriger sein als die Temperatur der CMB-Strahlung - Bedingungen, die nur existierten, als das Universum zwischen 20 und 100 Millionen Jahre alt war (Alter des Universums: 13,7 Milliarden Jahre). Zufälligerweise ist dies auch lange vor der Bildung von Sternen oder Galaxien, was ein einzigartiges Fenster in das sogenannte „dunkle Zeitalter“ öffnet.
Durch die Untersuchung von CMB-Schatten können Astronomen auch viel kleinere Strukturen beobachten, als dies bisher mit Instrumenten wie dem Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) möglich war. Die Schattentechnik kann Wasserstoffklumpen mit einem Durchmesser von nur 30.000 Lichtjahren im heutigen Universum oder einem Äquivalent von nur 300 Lichtjahren im Uruniversum erkennen. (Der Maßstab ist größer geworden, als sich das Universum erweitert hat.) Diese Auflösung ist um das 1000-fache besser als die Auflösung von WMAP.
„Diese Methode bietet einen Einblick in die Physik des sehr frühen Universums, nämlich in die Inflationsepoche, in der vermutlich Schwankungen in der Verteilung der Materie aufgetreten sind. Darüber hinaus konnten wir feststellen, ob Neutrinos oder ein unbekannter Partikeltyp wesentlich zur Menge der „dunklen Materie“ im Universum beitragen. Diese Fragen - was während der Epoche der Inflation passiert ist und was dunkle Materie ist - sind Schlüsselprobleme in der modernen Kosmologie, deren Antworten grundlegende Einblicke in die Natur des Universums liefern werden “, sagte Loeb.
Eine Beobachtungsherausforderung
Wasserstoffatome absorbieren CMB-Photonen bei einer bestimmten Wellenlänge von 21 Zentimetern. Die Expansion des Universums streckt die Wellenlänge in einem Phänomen, das als Rotverschiebung bezeichnet wird (weil eine längere Wellenlänge röter ist). Um eine Absorption von 21 cm aus dem frühen Universum zu beobachten, müssen Astronomen daher längere Wellenlängen von 6 bis 21 Metern (20 bis 70 Fuß) im Funkbereich des elektromagnetischen Spektrums betrachten.
Das Beobachten von CMB-Schatten bei Radiowellenlängen wird aufgrund der Interferenz durch Vordergrundhimmelquellen schwierig sein. Um genaue Daten zu sammeln, müssen Astronomen die nächste Generation von Radioteleskopen wie das Niederfrequenz-Array (LOFAR) und das Quadratkilometer-Array (SKA) verwenden. Obwohl die Beobachtungen eine Herausforderung darstellen werden, ist die potenzielle Auszahlung groß.
"Es gibt da draußen eine Goldmine an Informationen, die darauf warten, extrahiert zu werden. Obwohl die vollständige Erkennung experimentell schwierig sein mag, lohnt es sich zu wissen, dass sie existiert und dass wir versuchen können, sie in naher Zukunft zu messen “, sagte Loeb.
Diese Studie wird in einer kommenden Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht und ist derzeit online unter http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134 verfügbar.
Das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics mit Hauptsitz in Cambridge, Massachusetts, ist eine gemeinsame Zusammenarbeit zwischen dem Smithsonian Astrophysical Observatory und dem Harvard College Observatory. CfA-Wissenschaftler, die in sechs Forschungsabteilungen unterteilt sind, untersuchen den Ursprung, die Entwicklung und das endgültige Schicksal des Universums.
Originalquelle: Harvard CfA Pressemitteilung
