Die Erfindung des CAT-Scans führte zu einer Revolution in der medizinischen Diagnose. Wenn Röntgenstrahlen nur eine flache zweidimensionale Ansicht des menschlichen Körpers liefern, bietet ein CAT-Scan eine aufschlussreichere dreidimensionale Ansicht. Zu diesem Zweck nehmen CAT-Scans viele virtuelle „Schnitte“ elektronisch auf und setzen sie zu einem 3D-Bild zusammen.
Jetzt ist eine neue Technik, die CAT-Scans ähnelt und als Tomographie bekannt ist, bereit, das Studium des jungen Universums und das Ende des kosmischen „dunklen Zeitalters“ zu revolutionieren. Die Astrophysiker J. Stuart B. Wyithe (Universität Melbourne) und Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik) haben in der Nature-Ausgabe vom 11. November 2004 die Größe der kosmischen Strukturen berechnet, die gemessen werden, wenn Astronomen effektiv sind Nehmen Sie CAT-Scan-ähnliche Bilder des frühen Universums auf. Diese Messungen werden zeigen, wie sich das Universum in den ersten Milliarden Jahren seines Bestehens entwickelt hat.
"Bisher beschränkten wir uns auf eine einzige Momentaufnahme der Kindheit des Universums - den kosmischen Mikrowellenhintergrund", sagt Loeb. „Mit dieser neuen Technik können wir ein ganzes Album voller Babyfotos des Universums anzeigen. Wir können beobachten, wie das Universum aufwächst und reift. “
Raum schneiden
Das Herzstück der von Wyithe und Loeb beschriebenen Tomographietechnik ist die Untersuchung der Strahlung mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern von neutralen Wasserstoffatomen. In unserer eigenen Galaxie hat diese Strahlung Astronomen geholfen, den sphärischen Lichthof der Milchstraße abzubilden. Um das ferne junge Universum abzubilden, müssen Astronomen eine rotverschobene 21-cm-Strahlung erfassen, die durch die Ausdehnung des Raums selbst auf längere Wellenlängen (und niedrigere Frequenzen) ausgedehnt wurde.
Die Rotverschiebung ist direkt mit der Entfernung korreliert. Je weiter eine Wasserstoffwolke von der Erde entfernt ist, desto stärker verschiebt sich ihre Strahlung. Daher können Astronomen durch Betrachten einer bestimmten Frequenz eine „Scheibe“ des Universums in einer bestimmten Entfernung fotografieren. Durch das Durchlaufen vieler Frequenzen können sie viele Schnitte fotografieren und ein dreidimensionales Bild des Universums erstellen.
"Die Tomographie ist ein komplizierter Prozess, was ein Grund dafür ist, dass sie zuvor bei sehr hohen Rotverschiebungen noch nicht durchgeführt wurde", sagt Wyithe. "Aber es ist auch sehr vielversprechend, weil es eine der wenigen Techniken ist, mit denen wir die ersten Milliarden Jahre der Geschichte des Universums studieren können."
Ein Seifenblasenuniversum
Die ersten Milliarden Jahre sind entscheidend, da zu diesem Zeitpunkt die ersten Sterne zu leuchten begannen und sich die ersten Galaxien in kompakten Clustern zu bilden begannen. Diese Sterne brannten heiß und emittierten riesige Mengen ultravioletten Lichts, das nahegelegene Wasserstoffatome ionisierte, Elektronen von Protonen spaltete und den Nebel von neutralem Gas entfernte, der das frühe Universum füllte.
Junge Galaxienhaufen waren bald von ionisierten Gasblasen umgeben, ähnlich wie Seifenblasen, die in einer Wasserwanne schwammen. Als mehr ultraviolettes Licht den Raum durchflutete, wurden die Blasen größer und verschmolzen allmählich miteinander. Etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall wurde schließlich das gesamte sichtbare Universum ionisiert.
Um das frühe Universum zu untersuchen, als die Blasen klein und das Gas größtenteils neutral waren, müssen Astronomen Scheiben durch den Weltraum ziehen, als würden sie einen Schweizer Käseblock in Scheiben schneiden. Loeb sagt, genau wie bei Käse: "Wenn unsere Scheiben des Universums zu schmal sind, werden wir immer wieder die gleichen Blasen treffen." Die Ansicht wird sich nie ändern. “
Um wirklich nützliche Messungen zu erhalten, müssen Astronomen größere Scheiben nehmen, die auf verschiedene Blasen treffen. Jede Scheibe muss breiter als die Breite einer typischen Blase sein. Wyithe und Loeb berechnen, dass die größten Einzelblasen im frühen Universum eine Größe von etwa 30 Millionen Lichtjahren erreichten (dies entspricht mehr als 200 Millionen Lichtjahren im heutigen erweiterten Universum). Diese entscheidenden Vorhersagen werden den Entwurf von Funkinstrumenten für die Durchführung tomographischer Studien leiten.
Astronomen werden in Kürze die Vorhersagen von Wyithe und Loeb mit einer Reihe von Antennen testen, die auf die 100-200-Megahertz-Frequenzen von rotverschobenem 21-cm-Wasserstoff eingestellt sind. Die Abbildung des Himmels bei diesen Frequenzen ist aufgrund künstlicher Interferenzen (TV- und FM-Radio) und der Auswirkungen der Erdionosphäre auf niederfrequente Radiowellen äußerst schwierig. Neue kostengünstige Elektronik- und Computertechnologien werden jedoch vor Ende des Jahrzehnts eine umfassende Kartierung ermöglichen.
"Die Berechnungen von Stuart und Avi sind wunderschön, denn sobald wir unsere Arrays erstellt haben, sind die Vorhersagen einfach zu testen, wenn wir unsere ersten Einblicke in das frühe Universum erhalten", sagt der Smithsonian-Radioastronom Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill arbeitet daran, diese ersten Einblicke durch einen Vorschlag zu schaffen, das Very Large Array der National Science Foundation mit den erforderlichen Empfängern und Elektronik auszustatten, die vom Smithsonian finanziert werden. „Mit etwas Glück werden wir die ersten Bilder der Schalen aus heißem Material um einige der jüngsten Quasare im Universum erstellen“, sagt Greenhill.
Die Ergebnisse von Wyithe und Loeb werden auch dazu beitragen, das Design und die Entwicklung von Funkobservatorien der nächsten Generation zu leiten, die von Grund auf gebaut werden, wie das europäische LOFAR-Projekt und ein Array, das von einer US-australischen Zusammenarbeit für den Bau im funkstillen Outback von vorgeschlagen wurde West-Australien.
Originalquelle: Harvard CfA Pressemitteilung
