画像クレジット：NASA
初期の宇宙を研究したい天文学者は、根本的な問題に直面しています。最初の星がそれを照らすために形成される前に、「暗黒時代」の間に存在していたものをどのように観察しますか？理論家のアブラハム・ローブとマティアス・ザルダリアガ（ハーバード・スミソニアン天体物理学センター）が解決策を見つけました。彼らは、天文学者が投じた影を探すことにより、初期宇宙の最初の原子を検出できると計算しました。
影を見るために、観測者は宇宙マイクロ波背景（CMB）（再結合の時代から残っている放射線）を研究する必要があります。宇宙が約37万年前にあったとき、それは電子と陽子が合体するのに十分に冷却され、中性水素原子に再結合し、ビッグバンからの遺物CMB放射線が宇宙を横切って過去130億年間ほとんど妨害されずに移動できるようにしました。
時間の経過とともに、CMB光子の一部は水素ガスの塊に遭遇し、吸収されました。フォトンの少ない領域、つまり水素によって遮られる領域を探すことで、天文学者は非常に初期の宇宙における物質の分布を決定できます。
「マイクロ波の空には膨大な量の情報が刻印されており、宇宙の初期状態について非常に正確に知ることができます」とローブは述べました。
インフレとダークマター
CMBの光子を吸収するには、水素温度（具体的にはその励起温度）がCMB放射の温度よりも低くなければなりません。これは、宇宙が20〜1億年（宇宙の年齢：137億年）であるときにのみ存在する条件です。偶然にも、これは星や銀河が形成されるずっと前にあり、いわゆる「暗黒時代」に独特の窓を開いています。
CMBの影を研究することにより、天文学者は、ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ（WMAP）衛星などの機器を使用して以前に可能であったよりもはるかに小さい構造を観察することができます。シャドウテクニックは、現在の宇宙全体でわずか30,000光年、または原始宇宙全体でわずか300光年に相当する水素塊を検出できます。 （宇宙が拡大するにつれて、スケールは大きくなりました。）そのような解像度は、WMAPの解像度よりも1000倍優れています。
「この方法は、非常に初期の宇宙の物理学、つまり物質の分布に変動が生じたと考えられるインフレの時代を知るための窓を提供します。さらに、ニュートリノまたは未知のタイプの粒子が宇宙の「暗黒物質」の量に実質的に寄与しているかどうかを判断することができました。これらの質問–インフレの時代に何が起こったのか、そしてダークマターとは何か–は現代の宇宙論における主要な問題であり、その答えは宇宙の性質に対する根本的な洞察をもたらすでしょう」
観察課題
水素原子は、21センチメートル（8インチ）の特定の波長でCMBフォトンを吸収します。宇宙の膨張は、赤方偏移と呼ばれる現象で波長を伸ばします（波長が長いほど赤くなるため）。したがって、初期宇宙からの21 cmの吸収を観測するには、天文学者は電磁スペクトルの無線部分で6〜21メートル（20〜70フィート）のより長い波長を見る必要があります。
電波の波長でCMBの影を観察することは、前景の空の光源による干渉のために困難になります。正確なデータを収集するには、天文学者は低周波アレイ（LOFAR）や平方キロメートルアレイ（SKA）などの次世代の電波望遠鏡を使用する必要があります。観察は困難ですが、潜在的な見返りは大きいです。
「抽出されるのを待っている情報の金山があります。完全に検出するのは実験的に難しいかもしれませんが、存在することと、近いうちに測定を試みることができることを知ることはやりがいがあります」とローブは述べました。
この研究は、Physical Review Lettersの次号で公開され、現在http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134からオンラインで入手できます。
マサチューセッツ州ケンブリッジに本社を置くハーバードスミソニアン天体物理学センターは、スミソニアン天体物理天文台とハーバードカレッジ天文台の共同研究施設です。 CfAの科学者は、6つの研究部門に編成され、宇宙の起源、進化、究極の運命を研究しています。
元のソース：ハーバードCfAニュースリリース
