Der amerikanische Astrophysiker hat einen Prozess gefunden, dessen Eigenschaften dazu beitragen können, das Universum im Zeitalter des Auftretens der ersten Sterne und Galaxien zu erforschen.
Die sogenannten geschwindigkeitsinduzierten akustischen Schwingungen in der Materie sollten räumliche Variationen in der Absorption von Wasserstoff hervorrufen, die zur Abschätzung der Expansionsrate des Universums herangezogen werden können, schreibt der Autor in zwei Werken in Physical Review Letters und Physical Review D.
Unmittelbar nach dem Urknall war das Universum ein heißes Quark-Gluon-Plasma, das sich abkühlte, während sich der Raum ausdehnte. Daraus entstanden alle Partikel, aus denen sich sichtbare Materie zusammensetzt.
Wenn die Temperatur so weit gesunken ist, dass Protonen und Elektronen zu Atomen zusammengefasst werden, ist die Materie in einen neutralen Zustand übergegangen (rekombiniert) und die Strahlung von ihr getrennt - dies wird heute in Form eines Mikrowellenhintergrunds beobachtet.
Dies geschah 380.000 Jahre nach dem Urknall, was einer Rotverschiebung von etwa 1100 entspricht.
Danach folgte das dunkle Zeitalter, in dem die Reliktstrahlung bereits einen erheblichen Teil der Energie durch die Ausdehnung des Weltraums verloren hatte, aber keine neuen Quellen elektromagnetischer Wellen auftraten, sondern nur Wasserstoffatome mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern schwach in der Funklinie leuchteten.
Diese Phase dauerte ungefähr hundert Millionen Jahre bis zu einer Rotverschiebung von ungefähr 30 Jahren.
Dann sammelte sich gewöhnliche Materie in ausreichend dichten Formationen, so dass die ersten Sterne erschienen - es kam eine universelle Morgendämmerung (kosmische Morgendämmerung).
Es entstehen die ersten Galaxien, in deren Mittelpunkt Schwarze Löcher aktiv Materie absorbieren, die beim Absorbieren hell leuchtet. Ungefähr 250 Millionen Jahre nach dem Urknall, dh bei Rotverschiebung 15, geht die Morgendämmerung in die Ära der Reionisierung über.
In diesem Stadium tritt eine merkliche Menge Röntgenstrahlung auf, die den Großteil der Materie im Universum wieder in einen Plasmazustand umwandelt. Die Reionisierung endet ungefähr zu der Zeit, als das Universum eine Milliarde Jahre alt war, d. H. Bei einer Rotverschiebung von 6.
Die Zeitspanne des Lebens des Universums zwischen Rotverschiebungen von 30 auf 6, dh der universellen Morgendämmerung und der Reionisierung, wurde heute in erster Linie theoretisch untersucht.
Aus experimenteller Sicht beginnen Astronomen gerade erst, extrem schwache Signale dieser Zeit direkt zu untersuchen.
Julian Muñoz von der Harvard University schlug eine neue Methode vor, um die Zeit des universellen Aufbruchs zu untersuchen. Die Idee der Methode ist die Verwendung von Substanzen, die durch geschwindigkeitsinduzierte akustische Schwingungen (VAO) angeregt werden.
Nach den Schlussfolgerungen des Autors führt dieses Phänomen zum Auftreten einer charakteristischen räumlichen Skala in der Verteilung der gewöhnlichen Materie, die in Zukunft aufgezeichnet werden kann.
VAOs sollten nach der Rekombination entstehen, wenn sich normale (baryonische) Materie unter dem Einfluss des Strahlungsdrucks merklich bewegt und dunkle Materie unempfindlich gegenüber diesem Effekt bleibt.
Infolgedessen entsteht eine Fehlanpassung zwischen den Geschwindigkeiten der beiden Materietypen, die Überschallwerte erreichen können. Dieser Unterschied sollte auch eine wellenartige Verteilung im dreidimensionalen Raum bilden. VAOs sind mit einer anderen Art von räumlichen Schwingungen verbunden - den Baryon Acoustic Oszillations (BAO).
Hierbei handelt es sich um Dichtewellen, die in der großräumigen Struktur des Universums durch die Verteilung von Galaxien verfolgt werden. Im Gegensatz zu BAO wurden VAO jedoch bisher nicht beobachtet, und es wurde angenommen, dass ihr Einfluss auf die Geschwindigkeit von Baryonen zu gering ist und durch den Beitrag anderer Prozesse, wie der hydrodynamischen Bewegung des Plasmas, verborgen bleibt.
Munoz gibt Berechnungen an, die die Möglichkeit aufzeigen, VAO in einem Wasserstoffabsorptionssignal bei einer Wellenlänge von 21 Zentimetern zu beobachten: In Regionen mit einem höheren Geschwindigkeitsunterschied zwischen baryonischer und dunkler Materie wird die Sternentstehung stärker unterdrückt, der Wasserstoff neutraler und die Absorption in der 21-Zentimeter-Linie stärker.
Darüber hinaus sind VAO praktisch unabhängig von den Einzelheiten der Entstehung der ersten Sterne, und ihre relativ einfache Form hat sich im Zeitalter der Reionisierung etabliert.
Infolgedessen wird es möglich, die Epoche der universellen Morgendämmerung bei Rotverschiebungen von etwa 15 bis 20 zu studieren - dies ist eine viel frühere Ära, als für Studien mit Galaxien-Vermessungen verfügbar ist, bei denen BAO auffällt.
Die typische VAO-Größe sollte ungefähr 150 Megaparsec betragen. Insbesondere hält der Autor es für möglich, die Hubble-Konstante, dh die Expansionsrate des Universums in einem bestimmten Zeitalter, durch Beobachtungen der Absorption in der 21-cm-Linie am HERA-Interferometer zu bestimmen.