De uitvinding van de CAT-scan leidde tot een revolutie in de medische diagnose. Waar röntgenstralen slechts een vlak tweedimensionaal beeld van het menselijk lichaam geven, biedt een CAT-scan een meer onthullend driedimensionaal beeld. Om dit te doen, nemen CAT-scans veel virtuele "plakjes" elektronisch en assembleren ze tot een 3D-afbeelding.
Nu staat een nieuwe techniek die lijkt op CAT-scans, bekend als tomografie, klaar om een revolutie teweeg te brengen in de studie van het jonge universum en het einde van de kosmische 'donkere eeuwen'. Astrofysici J. Stuart B. Wyithe (Universiteit van Melbourne) en Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics) hebben in de Nature-uitgave van 11 november 2004 de grootte van kosmische structuren berekend die zullen worden gemeten wanneer astronomen effectief zijn. maak CAT-scanachtige afbeeldingen van het vroege universum. Deze metingen zullen laten zien hoe het universum zich gedurende de eerste miljard jaar van zijn bestaan heeft ontwikkeld.
"Tot nu toe waren we beperkt tot één enkele momentopname van de kindertijd van het universum - de kosmische microgolfachtergrond", zegt Loeb. 'Met deze nieuwe techniek kunnen we een heel album vol met babyfoto's van het universum bekijken. We kunnen het universum zien opgroeien en volwassen worden. '
Snijruimte
Het hart van de tomografie-techniek beschreven door Wyithe en Loeb is de studie van straling met een golflengte van 21 centimeter van neutrale waterstofatomen. In ons eigen sterrenstelsel heeft deze straling astronomen geholpen om de sferische halo van de Melkweg in kaart te brengen. Om het verre jonge universum in kaart te brengen, moeten astronomen 21 cm straling detecteren die roodverschoven is: uitgerekt tot langere golflengten (en lagere frequenties) door de uitbreiding van de ruimte zelf.
Roodverschuiving houdt rechtstreeks verband met afstand. Hoe verder een waterstofwolk van de aarde komt, hoe meer de straling ervan wordt verschoven. Daarom kunnen astronomen, door naar een specifieke frequentie te kijken, een 'stukje' van het heelal op een bepaalde afstand fotograferen. Door door veel frequenties te stappen, kunnen ze veel plakjes fotograferen en een driedimensionaal beeld van het universum opbouwen.
"Tomografie is een ingewikkeld proces, en dat is een van de redenen waarom het nog niet eerder is gedaan bij zeer hoge roodverschuivingen", zegt Wyithe. "Maar het is ook veelbelovend omdat het een van de weinige technieken is waarmee we de eerste miljard jaar van de geschiedenis van het universum kunnen bestuderen."
Een Soap Bubble Universe
De eerste miljard jaar zijn kritiek, want op dat moment begonnen de eerste sterren te schijnen en begonnen de eerste sterrenstelsels zich te vormen in compacte clusters. Die sterren brandden heet en zonden enorme hoeveelheden ultraviolet licht uit dat nabijgelegen waterstofatomen ioniseerde, elektronen van protonen splijten en de mist van neutraal gas opruimden dat het vroege universum vulde.
Jonge melkwegclusters werden al snel omringd door bellen van geïoniseerd gas, net zoals zeepbellen die in een bak met water drijven. Naarmate meer ultraviolet licht de ruimte overspoelde, werden de bellen groter en gingen ze geleidelijk samen. Uiteindelijk, ongeveer een miljard jaar na de oerknal, werd het hele zichtbare universum geïoniseerd.
Om het vroege heelal te bestuderen toen de bellen klein waren en het gas meestal neutraal, moeten astronomen plakjes door de ruimte nemen alsof ze een blok Zwitserse kaas snijden. Loeb zegt dat, net als bij kaas, "als onze plakjes van het universum te smal zijn, we dezelfde bubbels blijven raken. Het uitzicht zal nooit veranderen. '
Om echt bruikbare metingen te krijgen, moeten astronomen grotere plakjes nemen die verschillende bubbels raken. Elke plak moet breder zijn dan de breedte van een typische bel. Wyithe en Loeb berekenen dat de grootste individuele bellen in het vroege heelal een grootte van ongeveer 30 miljoen lichtjaar bereikten (equivalent aan meer dan 200 miljoen lichtjaar in het uitgebreide universum van vandaag). Die cruciale voorspellingen zullen het ontwerp van radio-instrumenten sturen om tomografische studies uit te voeren.
Astronomen zullen binnenkort de voorspellingen van Wyithe en Loeb testen met behulp van een reeks antennes die zijn afgestemd om te werken op de 100-200 megahertz-frequenties van roodverschoven 21-cm waterstof. De hemel in kaart brengen bij deze frequenties is buitengewoon moeilijk vanwege door de mens veroorzaakte interferentie (tv en FM-radio) en de effecten van de ionosfeer van de aarde op laagfrequente radiogolven. Nieuwe goedkope elektronica en computertechnologieën maken het echter mogelijk om voor het einde van het decennium uitgebreide kaarten in kaart te brengen.
"De berekeningen van Stuart en Avi zijn prachtig, want als we eenmaal onze arrays hebben gebouwd, zullen de voorspellingen eenvoudig zijn om te testen terwijl we onze eerste glimp van het vroege universum opvangen", zegt Smithsonian radioastronoom Lincoln Greenhill (CfA).
Greenhill werkt aan het creëren van die eerste glimpen door middel van een voorstel om de Very Large Array van de National Science Foundation uit te rusten met de nodige ontvangers en elektronica, gefinancierd door het Smithsonian. "Met een beetje geluk zullen we de eerste afbeeldingen maken van de schalen van heet materiaal rond een aantal van de jongste quasars in het universum", zegt Greenhill.
De resultaten van Wyithe en Loeb zullen ook helpen bij het begeleiden van het ontwerp en de ontwikkeling van de volgende generatie van radiografische observatoria die vanaf de grond af worden gebouwd, zoals het Europese LOFAR-project en een reeks die is voorgesteld door een Amerikaans-Australische samenwerking voor de bouw in het radiostille binnenland van West Australië.
Oorspronkelijke bron: Harvard CfA News Release
