Σχέδιο για τη μέτρηση του αρχέγονου δευτέριου

Πηγή: PhysicsWeb, 7 Αυγούστου 2007

Δεδομένα από την Μικροκυματική Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB), θα μπορούσαν να μας δώσουν την πρώτη άμεση μέτρηση της ποσότητας του δευτερίου που σχηματίστηκε λίγα λεπτά μετά από το Big Bang, σύμφωνα με ερευνητές στο Caltech. Οι τελευταίοι έχουν προτείνει έναν "τεχνικά προκλητικό" τρόπο να μετρηθεί άμεσα το δευτέριο στον αρχέγονο Κόσμο, που θα περιελάμβανε τη μελέτη μικροσκοπικών διακυμάνσεων στην απορρόφηση του υδρογόνου και του δευτερίου στις υψηλές ερυθρές μετατοπίσεις. Εντούτοις, δεν έχουν πραγματοποιήσει αυτή τη μέτρηση, γιατί θα απαιτούσε μια "ηρωική" πειραματική προσπάθεια όπως λένε.

Το δευτέριο -- ένα ισότοπο του υδρογόνου με ένα νετρόνιο -- είναι ένα βασικό κλειδί για να κατανοήσουμε πώς δημιουργήθηκαν τα στοιχεία κατά τη διάρκεια των πρώτων-πρώτων στιγμών του Κόσμου. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως πυρηνοσύνθεση του Big Bang, θεωρείται πως έχει καθορίσει την αναλογία του δευτερίου με το υδρογόνο (D/H), που βλέπουμε στον Κόσμο σήμερα. Δημιούργησε επίσης την αρχέγονη "βαρυονική σούπα", που περιείχε ελαφριά άτομα από τα οποία προέκυψαν τα αστέρια.

Σύμφωνα με τους ερευνητές του Caltech, η αναλογία D/H μπορεί να υπολογιστεί αν μετρήσουμε πώς απορροφήθηκε η ακτινοβολία CMB από το ουδέτερο αέριο που υπήρξε κατά τη διάρκεια του "Κοσμικού Μεσαίωνα", που ξεκίνησε κατά προσέγγιση 400.00 έτη μετά από το Big Bang. Το υδρογόνο και το δευτέριο απορροφούν τα φωτόνια της CMB σε διαφορετικά μήκη κύματος, ενώ η τεχνική αυτή θα περιελάμβανε την αναζήτηση μικροσκοπικών διακυμάνσεων στις απορροφήσεις που προκαλούνται από τις μεταβολές στην πυκνότητα των δύο αερίων σε διαφορετικά σημεία στο διάστημα. Παραδείγματος χάριν, οι περιοχές του σύμπαντος με μια υψηλότερη πυκνότητα από άτομα υδρογόνου θα απορροφήσουν περισσότερα φωτόνια CMB από τις περιοχές με χαμηλότερη πυκνότητα.

Επειδή η αναλογία D/H είναι πολύ μικρή, δεν θα είναι δυνατή η αναγνώριση των μεμονωμένων συσχετισμών μεταξύ αυτών των μηκών κύματος σε ένα δεδομένο πίξελ, λέει ο Steven Furlanetto, ο οποίος πραγματοποίησε τη μελέτη με τον Kris Sigurdson. "Εντούτοις, εάν πάρουμε το μέσο όρο πολλών πίξελ στον ουρανό μπορεί να είναι δυνατό να δούμε το γενικό συσχετισμό, και από αυτόν το λόγο D/H", προσθέτει.

Μέχρι τώρα, οι κοσμολόγοι ήταν σε θέση να καθορίσουν την αναλογία D/H μόνο έμμεσα. Την έχουν πραγματοποιήσει με τη χρησιμοποίηση του Καθιερωμένου Μοντέλου για την πυρηνοσύνθεση στο Big Bang μαζί με περιορισμούς για τη συνολική πυκνότητα των πυρήνων, όπως μετριέται από τη CMB, από δορυφόρους όπως είναι ο Wilkinson Microwave Anisotropy Probe της NASA. Η νέα τεχνική αντίθετα θα επέτρεπε να μετρηθεί η αναλογία άμεσα με χρησιμοποίηση ραδιοτηλεσκοπίων.

Η ομάδα του Caltech ισχυρίζεται ότι η τεχνική τους θα επέτρεπε να καθοριστεί η αρχέγονη αναλογία D/H μ μια ακρίβεια καλύτερη από 1%. Και αυτό, σε γενικές γραμμές, θα βελτίωνε τους περιορισμούς στην βαρυονική πυκνότητα  του σύμπαντος και θα μπορούσε να ρίξει περισσότερο φως στη φύση της μη - βαρυονικής σκοτεινής ύλης. "Το βασικό πλεονέκτημα της προσέγγισής μας είναι ότι είναι άμεση και ανεξάρτητη των μοντέλων", λέει ο Furlanetto.

Επιπλέον, οι άλλες άμεσες μετρήσεις για την αναλογία D/H έγιναν για εποχές μετά που διαμορφώθηκαν τα αστέρια και οι γαλαξίες. "Επειδή το δευτέριο καταστρέφεται από τα αστέρια, η μέθοδος η δική μας είναι να μετρηθεί το δευτέριο προτού σχηματιστούν τα αστέρια, και είναι ο μόνος βέβαιος τρόπος να παρατηρήσουμε την αρχέγονη ποσότητα του δευτερίου", προσθέτει ο Furlanetto.

Ένα από τα κύρια εμπόδια που θα αντιμετωπίσουν οι επίδοξοι πειραματιστές θα είναι ο παρασιτικός θόρυβος. Αυτή η παρεμβολή προέρχεται από τις επίγειες πηγές, την διαστρέβλωση από την ιονόσφαιρα (που απορροφά και διαθλά το κοσμολογικό σήμα) και άλλες αστρονομικές πηγές - όπως το γαλαξιακό υπόβαθρο σύγχροτρον.

"Η αντιμετώπιση του θορύβου καθώς και των τεράστιων σημάτων υπόβαθρου θα απαιτήσει ισχυρότερα τηλεσκόπια και πιθανώς πιο περίπλοκους αλγόριθμους ανάλυσης των στοιχείων", ολοκληρώνει ο Furlanetto.

Μετρήσεις δείχνουν ότι σήμερα το σύμπαν περιέχει ένα άτομο δευτερίου για κάθε 40.000 άτομα κανονικού υδρογόνου.

Σύμφωνα δε με την Καθιερωμένη Θεωρία, αρκετές ποσότητες δευτερίου στο πρώιμο σύμπαν, σχηματίστηκαν με τη βοήθεια πυρηνικών αντιδράσεων στα πρώτα 1.000 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η δε ποσότητα του δευτερίου εξαρτάται αποκλειστικά από τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων. Έτσι, αν μετρήσουμε το δευτέριο, μπορούμε να προσδιορίσουμε τον αριθμό των πρωτονίων, και εν συνεχεία πόση ύλη είναι παρούσα σήμερα στο σύμπαν.

Τέλος, αν συνδυάσουμε όλες τις πληροφορίες, οι οποίες συλλέχτηκαν από τα τηλεσκόπια και παρατηρητήρια, αναδύεται η ακόλουθη εικόνα: το σύμπαν αποτελείται κατά 4% από πρωτόνια, ηλεκτρόνια και άλλα γνωστά σωματίδια, κατά 30% από κάποιο μυστηριώδη αόρατο τύπο μάζας που λέγεται "σκοτεινή ύλη", και περίπου 66% από την ακόμη πιο μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια του κενού.