Κοσμολογία με ραδιοκύματα μήκους κύματος 21cm

Posted on 15/01/2016

0


hydrogenΤο στοιχείο του υδρογόνου είναι το στοιχείο με την μεγαλύτερη αφθονία στο Σύμπαν. Είναι γνωστό πως το υδρογόνο εκπέμπει ραδιοκύματα μήκους κύματος 21 εκατοστών [διαβάστε σχετικά: Το υδρογόνο εκπέμπει στην ραδιοφωνική συχνότητα των 1420 ΜHz]. Θα μπορούσαμε λοιπόν να «δούμε» την κατανομή του υδρογόνου που περιέχεται στο Σύμπαν, ανιχνεύοντας αυτά τα φωτόνια με ραδιοτηλεσκόπια.

Ποια είναι η διαφορά αυτών των φωτονίων με τα φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου;

Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μας δίνει την εικόνα του σύμπαντος σε μια συγκεκριμένη στιγμή – 300.000 χιλιάδες χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – όταν η ύλη και η ακτινοβολία βρίσκονταν σε ισορροπία.
Το συναρπαστικό με τα φωτόνια μήκους κύματος 21 cm που εκπέμπει το υδρογόνο είναι ότι μπορούν να δώσουν πληροφορίες για την κατανομή του υδρογόνου για διαφορετικές εποχές, πριν ακόμα σχηματιστούν τα άστρα και οι γαλαξίες. Αρκεί να πάρουμε υπόψη την διαστολή των ραδιοκυμάτων εξαιτίας της διαστολής του σύμπαντος. Το μήκος κύματος με το οποίο ανιχνεύονται στη Γη αποκαλύπτει την απόσταση από την οποία ήρθαν, συνεπώς και την ηλικία τους. Για παράδειγμα, φωτόνια με μήκος κύματος 10×21=210cm,  εκπέμφθηκαν από άτομα υδρογόνου όταν το σύμπαν είχε ηλικία 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια, δεδομένου ότι η ηλικία του σύμπαντος είναι σήμερα περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Η τεχνική αυτή αποκαλείται τομογραφία των 21 εκατοστών και μάλλον θα αποτελέσει το επόμενο σημαντικό εργαλείο της κοσμολογίας.

Aν και ξέρουμε ελάχιστα για την αρχή του σύμπαντος, γνωρίζουμε πολύ καλά το τι έγινε στη συνέχεια κατά τα επόμενα 14 δισεκατομμύρια έτη. Καθώς το σύμπαν μας διαστελλόταν και ψυχόταν, τα κουάρκ ενώθηκαν σχηματίζοντας πρωτόνια (πυρήνες Υδρογόνου) και νετρόνια, τα οποία με τη σειρά τους συντήχθηκαν σε πυρήνες Ηλίου. Στη συνέχεια αυτοί οι πυρήνες σχημάτισαν άτομα συλλαμβάνοντας ηλεκτρόνια, και η βαρύτητα συγκέντρωσε αυτά τα άτομα στους γαλαξίες, τα άστρα και τους πλανήτες που παρατηρούμε σήμερα

H ραδιοαστρονομία των 21 εκατοστών μπορεί «δει» την χρονική περίοδο των σκοτεινών εποχών του σύμπαντος, που πιθανόν να κρύβει μυστικά για την σκοτεινή ύλη, τον πληθωρισμό, αλλά και την θεωρία των χορδών.

Η μελέτη των φωτονίων μήκους κύματος 21 cm από το υδρογόνο θα δώσει απαντήσεις για την περίοδο της σκοτεινής εποχής του σύμπαντος, για το πώς άρχισαν να σχηματίζονται τα πρώτα αστρικά αντικείμενα και την συμπεριφορά της μεσοαστρικής ύλης, αλλά και τον πιθανό ρόλο της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης. Επίσης, από την μελέτη των δομών της αστρονομίας των 21 cm, θα μπορούσε να επιβεβαιωθεί ή να απορριφθεί κάποιο πληθωριστικό μοντέλο, ή να προκύψουν ενδείξεις ύπαρξης κοσμικών χορδών.

Εννοείται πως οι μετρήσεις αυτών των φωτονίων δεν είναι εύκολη υπόθεση, δεδομένου ότι υπάρχουν πολλές πηγές στον γαλαξία μας που εκπέμπουν σ’ αυτά τα μήκη κύματος, δημιουργώντας ένα ανεπιθύμητο υπόβαθρο. Επιπλέον η ατμόσφαιρα της Γης παραμορφώνει αυτά τα ραδιοσήματα, που επιπλέον επηρεάζονται και από τις γήινες ραδιοφωνικές εκπομπές.

Παρόλα τα προβλήματα πολλές ερευνητικές ομάδες – π.χ. Low-Frequency Array (LOFAR) στην Ολλανδία, Murchison Widefield Array (MWA) στην Αυστραλία κ.ά – έχουν αρχίσει έναν αγώνα δρόμου για να ανιχνεύσουν το σήμα του υδρογόνου που φτάνει σε μας μέσα από τα βάθη του σύμπαντος. Το πιο φιλόδοξο σχέδιο είναι το στήσιμο ενός ραδιοτηλεσκοπίου στην αθέατη πλευρά της Σελήνης, το οποίο θα ήταν εντελώς απαλλαγμένο από τον ραδιοφωνικό θόρυβο της γήινης ατμόσφαιρας.

Πριν από μερικές δεκαετίες τα πειραματικά δεδομένα που είχε στη διάθεσή της η κοσμολογία ήταν τόσο λίγα που πολλοί υποστήριζαν ότι βρίσκεται πιο κοντά στη φιλοσοφία παρά στη φυσική επιστήμη. Σήμερα, αποτελεί ένα ερευνητικό πεδίο που βασίζεται σε μετρήσεις υψηλότατης ακρίβειας με τεράστιο όγκο δεδομένων που καλύπτουν ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Και είμαστε ακόμα στην αρχή.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο της Sabine Hossenfelder: The Universe’s Dark Ages May Hold The Secrets To Dark Matter, Inflation, And Even String Theory

Ετικέτα: ,