L'invenzione della scansione CAT ha portato a una rivoluzione nella diagnosi medica. Laddove i raggi X danno solo una visione bidimensionale piatta del corpo umano, una scansione CAT fornisce una visione tridimensionale più rivelatrice. Per fare questo, le scansioni CAT prendono elettronicamente molte "sezioni" virtuali e le assemblano in un'immagine 3D.
Ora una nuova tecnica che ricorda le scansioni CAT, nota come tomografia, è pronta a rivoluzionare lo studio del giovane universo e la fine dei "secoli oscuri" cosmici. Riferendo nell'11 novembre 2004, il numero di Nature, gli astrofisici J. Stuart B. Wyithe (Università di Melbourne) e Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) hanno calcolato la dimensione delle strutture cosmiche che verranno misurate quando gli astronomi saranno effettivamente efficaci acquisire immagini simili a scansioni CAT dell'universo primordiale. Tali misurazioni mostreranno come si è evoluto l'universo nei suoi primi miliardi di anni di esistenza.
"Fino ad ora, ci siamo limitati a una singola istantanea dell'infanzia dell'universo: lo sfondo cosmico a microonde", afferma Loeb. "Questa nuova tecnica ci consentirà di visualizzare un intero album pieno di foto di bambini dell'universo. Possiamo vedere l'universo crescere e maturare ".
Affettare lo spazio
Il cuore della tecnica tomografica descritta da Wyithe e Loeb è lo studio della radiazione di lunghezza d'onda di 21 centimetri da atomi di idrogeno neutri. Nella nostra galassia, questa radiazione ha aiutato gli astronomi a mappare l'alone sferico della Via Lattea. Per mappare il giovane universo distante, gli astronomi devono rilevare una radiazione di 21 cm che è stata spostata in rosso: allungata a lunghezze d'onda più lunghe (e frequenze più basse) dall'espansione dello spazio stesso.
Redshift è direttamente correlato alla distanza. Più una nuvola di idrogeno viene dalla Terra, più la sua radiazione viene spostata verso il rosso. Pertanto, osservando una frequenza specifica, gli astronomi possono fotografare una "fetta" dell'universo a una distanza specifica. Attraversando molte frequenze, possono fotografare molte sezioni e costruire un'immagine tridimensionale dell'universo.
"La tomografia è un processo complicato, che è una delle ragioni per cui non è mai stato fatto prima con redshift molto elevati", afferma Wyithe. "Ma è anche molto promettente perché è una delle poche tecniche che ci permetterà di studiare i primi miliardi di anni di storia dell'universo."
Un universo di bolle di sapone
I primi miliardi di anni sono fondamentali perché è allora che le prime stelle hanno iniziato a brillare e le prime galassie hanno iniziato a formarsi in ammassi compatti. Quelle stelle bruciavano molto, emettendo enormi quantità di luce ultravioletta che ionizzava gli atomi di idrogeno nelle vicinanze, dividendo gli elettroni dai protoni e liberando la nebbia di gas neutro che riempiva l'universo primordiale.
Presto i giovani ammassi di galassie furono circondati da bolle di gas ionizzato proprio come bolle di sapone che galleggiavano in una vasca d'acqua. Mentre più luce ultravioletta inondava lo spazio, le bolle si ingrandivano e gradualmente si fondevano insieme. Alla fine, circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, l'intero universo visibile fu ionizzato.
Per studiare l'universo primordiale quando le bolle erano piccole e il gas per lo più neutro, gli astronomi devono prendere fette nello spazio come se affettassero un blocco di formaggio svizzero. Loeb afferma che, proprio come con il formaggio, "se le nostre fette di universo sono troppo strette, continueremo a colpire le stesse bolle. La vista non cambierà mai. "
Per ottenere misurazioni veramente utili, gli astronomi devono prendere sezioni più grandi che colpiscono bolle diverse. Ogni sezione deve essere più larga della larghezza di una bolla tipica. Wyithe e Loeb calcolano che le più grandi bolle individuali hanno raggiunto dimensioni di circa 30 milioni di anni luce nell'universo primordiale (equivalenti a oltre 200 milioni di anni luce nell'universo espanso di oggi). Queste previsioni cruciali guideranno la progettazione di strumenti radio per condurre studi tomografici.
Presto gli astronomi metteranno alla prova le previsioni di Wyithe e Loeb usando una serie di antenne sintonizzate per operare alle frequenze 100-200 megahertz di idrogeno spostato in rosso di 21 cm. Mappare il cielo a queste frequenze è estremamente difficile a causa delle interferenze artificiali (TV e radio FM) e degli effetti della ionosfera terrestre sulle onde radio a bassa frequenza. Tuttavia, nuove tecnologie elettroniche e informatiche a basso costo renderanno possibile una mappatura estesa entro la fine del decennio.
"I calcoli di Stuart e Avi sono meravigliosi perché una volta che avremo costruito i nostri array, le previsioni saranno semplici da testare quando intravediamo i nostri primi scorci dell'universo primordiale", afferma il radioastronomo Smithsonian Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill sta lavorando per creare quei primi scorci attraverso una proposta per dotare la Very Large Array della National Science Foundation dei ricevitori e dell'elettronica necessari, finanziati dallo Smithsonian. "Con un po 'di fortuna, creeremo le prime immagini dei gusci di materiale bollente intorno a molti dei quasar più giovani dell'universo", afferma Greenhill.
I risultati di Wyithe e Loeb aiuteranno anche a guidare la progettazione e lo sviluppo di osservatori radio di prossima generazione da zero, come il progetto europeo LOFAR e un array proposto da una collaborazione USA-Australia per la costruzione nell'entroterra silenzioso di Australia Occidentale.
Fonte originale: comunicato stampa Harvard CfA
