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Astronomen, die das frühe Universum studieren wollen, stehen vor einem grundlegenden Problem. Wie beobachtet man, was während des „dunklen Zeitalters“ existierte, bevor sich die ersten Sterne bildeten, um es zu erleuchten? 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 erkennen können, indem sie nach den Schatten suchen, die sie werfen.
Um die Schatten zu sehen, muss ein Beobachter den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) studieren – Strahlung, die aus der Zeit der Rekombination übrig geblieben ist. Als das Universum etwa 370.000 Jahre alt war, kühlte es sich so weit ab, dass sich Elektronen und Protonen vereinigen, zu neutralen Wasserstoffatomen rekombinieren und die relikte CMB-Strahlung des Urknalls in den letzten 13 Milliarden Jahren fast ungehindert durch den Kosmos wandern lassen.
Im Laufe der Zeit trafen einige der CMB-Photonen auf Klumpen von Wasserstoffgas und wurden absorbiert. Durch die Suche nach Regionen mit weniger Photonen – Regionen, die von Wasserstoff abgeschattet werden – können Astronomen die Verteilung der Materie im sehr frühen Universum bestimmen.
„In den Mikrowellenhimmel ist eine enorme Menge an Informationen eingeprägt, die uns mit höchster Präzision die Anfangsbedingungen des Universums lehren könnten“, sagte Loeb.
Inflation und Dunkle Materie
Um CMB-Photonen zu absorbieren, muss die Wasserstofftemperatur (insbesondere seine 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 und öffnet ein einzigartiges Fenster in die sogenannten „dunklen Zeitalter“.
Die Untersuchung von CMB-Schatten ermöglicht es Astronomen auch, viel kleinere Strukturen zu beobachten, als dies zuvor mit Instrumenten wie dem Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)-Satelliten möglich war. Die Schattentechnik kann Wasserstoffklumpen mit einem Durchmesser von nur 30.000 Lichtjahren im heutigen Universum oder dem Äquivalent von nur 300 Lichtjahren im ursprünglichen Universum nachweisen. (Der Maßstab ist mit der Ausdehnung des Universums größer geworden.) Diese Auflösung ist um den Faktor 1000 besser als die Auflösung von WMAP.
„Diese Methode bietet einen Einblick in die Physik des sehr frühen Universums, nämlich in die Epoche der Inflation, in der vermutlich Schwankungen in der Verteilung der Materie entstanden sind. Darüber hinaus konnten wir feststellen, ob Neutrinos oder eine unbekannte Teilchenart wesentlich zur Menge an „dunkler Materie“ im Universum beiträgt. Diese Fragen – was geschah während der Inflationsepoche und was ist dunkle Materie – sind Schlüsselprobleme der modernen Kosmologie, deren Antworten grundlegende Erkenntnisse über die Natur des Universums liefern werden“, sagte Loeb.
Eine Beobachtungsherausforderung
Wasserstoffatome absorbieren CMB-Photonen bei einer spezifischen Wellenlänge von 21 Zentimetern. Die Expansion des Universums dehnt die Wellenlänge in einem Phänomen aus, das als Rotverschiebung bezeichnet wird (weil eine längere Wellenlänge röter ist). Um eine 21-cm-Absorption aus dem frühen Universum zu beobachten, müssen Astronomen daher längere Wellenlängen von 6 bis 21 Metern (20 bis 70 Fuß) im Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums betrachten.
Die Beobachtung von CMB-Schatten bei Funkwellenlängen wird aufgrund von Störungen durch Himmelsquellen im Vordergrund schwierig sein. Um genaue Daten zu sammeln, müssen Astronomen die nächste Generation von Radioteleskopen wie das Low Frequency Array (LOFAR) und das Square Kilometre Array (SKA) verwenden. Obwohl die Beobachtungen eine Herausforderung sein werden, ist die potenzielle Auszahlung groß.
„Da draußen gibt es eine Goldmine mit Informationen, die darauf warten, extrahiert zu werden. Obwohl ihre vollständige Erkennung experimentell eine Herausforderung darstellen kann, ist es lohnend zu wissen, dass sie existiert und wir versuchen können, sie in naher Zukunft zu messen“, sagte Loeb.
Diese Forschungsarbeit wird in einer der nächsten Ausgabe von Physical Review Letters veröffentlicht und ist derzeit online verfügbar unter http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134 .
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 organisiert sind, untersuchen den Ursprung, die Entwicklung und das endgültige Schicksal des Universums.
Originalquelle: Harvard CfA-Pressemitteilung