Tín dụng hình ảnh: NASA
Các nhà thiên văn học muốn nghiên cứu vũ trụ sơ khai phải đối mặt với một vấn đề cơ bản. Làm thế nào để bạn quan sát những gì tồn tại trong thời kỳ đen tối, trước khi những ngôi sao đầu tiên hình thành để thắp sáng nó? Các nhà lý thuyết Abraham Loeb và Matias Zaldarriaga (Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian) đã tìm ra giải pháp. Họ tính toán rằng các nhà thiên văn học có thể phát hiện các nguyên tử đầu tiên trong vũ trụ sơ khai bằng cách tìm kiếm các bóng mà chúng tạo ra.
Để nhìn thấy bóng tối, một người quan sát phải nghiên cứu nền vi sóng vũ trụ (CMB) - bức xạ còn sót lại từ thời đại tái hợp. Khi vũ trụ khoảng 370.000 năm tuổi, nó đủ lạnh để các electron và proton hợp nhất, tái hợp thành các nguyên tử hydro trung tính và cho phép bức xạ CMB di tích từ Big Bang đi gần như không bị phá hủy trong vũ trụ trong 13 tỷ năm qua.
Theo thời gian, một số photon CMB gặp phải các khối khí hydro và được hấp thụ. Bằng cách tìm kiếm các khu vực có ít photon hơn - các khu vực bị che khuất bởi hydro - các nhà thiên văn học có thể xác định sự phân bố của vật chất trong vũ trụ từ rất sớm.
Loeb có một lượng thông tin khổng lồ in trên bầu trời vi sóng có thể dạy chúng ta về các điều kiện ban đầu của vũ trụ với độ chính xác tinh tế, Loeb nói.
Lạm phát và vấn đề đen tối
Để hấp thụ các photon CMB, nhiệt độ hydro (cụ thể là nhiệt độ kích thích của nó) phải thấp hơn nhiệt độ của bức xạ CMB - điều kiện chỉ tồn tại khi vũ trụ ở độ tuổi từ 20 đến 100 triệu năm (tuổi của Vũ trụ: 13,7 tỷ năm). Thật trùng hợp, điều này cũng diễn ra trước sự hình thành của bất kỳ ngôi sao hay thiên hà nào, mở ra một cửa sổ độc đáo vào cái gọi là thời kỳ đen tối.
Nghiên cứu bóng CMB cũng cho phép các nhà thiên văn học quan sát các cấu trúc nhỏ hơn nhiều so với trước đây có thể sử dụng các công cụ như vệ tinh thăm dò bất đẳng hướng vi sóng Wilkinson (WMAP). Kỹ thuật tạo bóng có thể phát hiện các khối hydro nhỏ tới 30.000 năm ánh sáng trong vũ trụ ngày nay, hoặc tương đương với chỉ 300 năm ánh sáng trong vũ trụ nguyên thủy. (Quy mô đã phát triển lớn hơn khi vũ trụ mở rộng.) Độ phân giải như vậy là hệ số tốt hơn 1000 lần so với độ phân giải của WMAP.
Phương pháp này cung cấp một cửa sổ vào vật lý của vũ trụ từ rất sớm, cụ thể là thời kỳ lạm phát trong đó các biến động trong phân phối vật chất được cho là đã được tạo ra. Hơn nữa, chúng ta có thể xác định liệu neutrino hoặc một số loại hạt chưa biết có đóng góp đáng kể vào lượng vật chất tối trong vũ trụ hay không. Những câu hỏi này - những gì đã xảy ra trong thời kỳ lạm phát và vật chất tối là gì - là những vấn đề chính trong vũ trụ học hiện đại mà câu trả lời của họ sẽ mang lại những hiểu biết cơ bản về bản chất của vũ trụ, Loeb nói.
Một thử thách quan sát
Các nguyên tử hydro hấp thụ các photon CMB ở bước sóng cụ thể là 21 cm (8 inch). Sự giãn nở của vũ trụ kéo dài bước sóng trong một hiện tượng gọi là dịch chuyển đỏ (vì bước sóng dài hơn sẽ đỏ hơn). Do đó, để quan sát sự hấp thụ 21 cm từ vũ trụ sơ khai, các nhà thiên văn học phải nhìn vào bước sóng dài hơn từ 6 đến 21 mét (20 đến 70 feet), trong phần vô tuyến của phổ điện từ.
Quan sát bóng CMB ở bước sóng vô tuyến sẽ khó khăn do nhiễu bởi các nguồn trên bầu trời phía trước. Để thu thập dữ liệu chính xác, các nhà thiên văn học sẽ phải sử dụng thế hệ kính thiên văn vô tuyến thế hệ tiếp theo, chẳng hạn như Mảng tần số thấp (LOFAR) và Mảng Kilomet vuông (SKA). Mặc dù các quan sát sẽ là một thách thức, nhưng khả năng hoàn trả là rất lớn.
Có một mỏ vàng thông tin ngoài kia đang chờ được khai thác. Mặc dù việc phát hiện đầy đủ của nó có thể là thử thách về mặt thực nghiệm, nhưng thật đáng mừng khi biết rằng nó tồn tại và chúng ta có thể cố gắng đo lường nó trong tương lai gần, Loeb nói.
Nghiên cứu này sẽ được xuất bản trong số phát hành sắp tới của Thư đánh giá vật lý và hiện có sẵn trực tuyến tại http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Có trụ sở tại Cambridge, Mass., Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian là sự hợp tác giữa Đài quan sát vật lý thiên văn Smithsonian và Đài quan sát của Đại học Harvard. Các nhà khoa học CfA, được tổ chức thành sáu bộ phận nghiên cứu, nghiên cứu nguồn gốc, sự tiến hóa và số phận cuối cùng của vũ trụ.
Nguồn gốc: Bản tin Harvard CfA
