Immagine composita del sistema di galassie dell'Universo primordiale SPT0311-58. E' stata prodotta da una combinazione di immagini nel continuo della polvere e del gas e nelle linee molecolari di acqua e monossido di carbonio. Credits: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Dagnello
Anche se non siamo ancora in grado di osservare direttamente le prime stelle e galassie dell’Universo ai suoi primordi, un nuovo studio di un team di ricerca dell’Università di Cambridge ha permesso di compiere un importante passo avanti in questa direzione.
Utilizzando i dati del radiotelescopio indiano SARAS3, i ricercatori hanno potuto osservare l’Universo primordiale appena 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Non trovando il segnale che stavano cercando, noto come “linea dell’idrogeno a 21 cm”, sono riusciti a porre dei limiti importanti alla massa e all’energia prodotta dalle prime sorgenti di luce del cosmo. Questo è uno dei primi studi astrofisici diretti del periodo in cui si sono formate le prime stelle e galassie, noto con il nome di alba cosmica.
La comprensione dell’Universo primordiale è uno dei principali obiettivi dei nuovi osservatori terrestri e spaziali, in fase di progettazione. Per i telescopi attuali, la sfida è quella di rilevare il segnale cosmologico delle prime stelle circondate da spesse nubi di idrogeno: la cosiddetta linea dell’idrogeno a 21 cm.
Si tratta di una riga spettrale, presente negli spettri elettromagnetici delle sorgenti cosmiche di radiazione, causata da una variazione energetica dell’idrogeno neutro interstellare. Si manifesta alla frequenza di 1420,405 MHz (equivalente a una lunghezza d’onda di 21,10611405413 cm). Si tratta di una frequenza nelle onde radio, più esattamente nelle microonde, tipica di radiazione che può attraversare le polveri interstellari, opache alla luce visibile.
Questo è un segnale radio prodotto dagli atomi di idrogeno nell’Universo primordiale. A differenza del James Webb, che sarà in grado di fotografare direttamente singole galassie dell’Universo primordiale, gli studi della linea d’idrogeno a 21 cm effettuati con radiotelescopi come il REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), guidato da Cambridge, ci possono parlare d’intere popolazioni di galassie ancora più antiche. I primi risultati di REACH sono attesi per l’inizio del 2023.
Per rilevare la linea dei 21 centimetri, gli astronomi cercano un segnale radio prodotto dagli atomi di idrogeno nell’Universo primordiale. Questo risulta influenzato sia dalla luce delle prime stelle che dalla radiazione dietro la “nebbia” di idrogeno.
Nel 2018, un gruppo di ricerca che operava con l’esperimento EDGES ha pubblicato un risultato che accennava a un possibile rilevamento di questa “prima luce”. Il segnale riportato era insolitamente forte rispetto a quanto ci si aspetta nel quadro astrofisico più semplice dell’Universo primordiale.
In questa nuova analisi dei dati di SARAS3, il team di Cambridge ha testato una serie di scenari astrofisici che potrebbero spiegare il risultato di EDGES. In collaborazione con scienziati provenienti da India, Australia e Israele, il team ha sfruttato i dati SARAS3 per cercare i segnali dell’alba cosmica, utilizzando anche tecniche di modellazione statistica. Tuttavia, non ha trovato un segnale corrispondente.
I risultati hanno quindi smentito la precedente rilevazione: il risultato di EDGES è ora in attesa di conferma, da parte di osservazioni indipendenti. Harry Bevins, dottorando del Cavendish Laboratory di Cambridge e autore principale dell’articolo, ha però sottolineato: “Non trovando quel segnale, possiamo porre un limite alla sua profondità. Questo, a sua volta, ci informa su quanto fossero luminose le prime galassie”.
La mancata rilevazione dell’idrogeno a 21 cm ha consentito ai ricercatori di porre dei limiti su come erano o non erano le prime galassie. Lo studio osservativo, il primo del suo genere sotto molti aspetti, esclude scenari in cui le prime galassie erano:
I nuovi dati rivelano anche qualcosa che era già stato accennato in precedenza: le prime stelle e galassie potrebbero aver dato un contributo misurabile alla radiazione di fondo, che è apparsa come risultato del Big Bang e che da allora viaggia verso di noi. I ricercatori stanno ora stabilendo un limite a tale contributo. Riguardo all’intero studio, Anastasia Fialkov dell’Istituto di Astronomia di Cambridge, ha affermato:
La nostra analisi ha mostrato che il segnale dell’idrogeno può informarci sulla popolazione delle prime stelle e galassie. La nostra analisi pone dei limiti ad alcune delle proprietà chiave delle prime sorgenti di luce, tra cui le masse delle prime galassie e l’efficienza con cui queste galassie possono formare stelle. Affrontiamo anche la questione dell’efficienza con cui queste sorgenti emettono raggi X, radio e ultravioletti.
Gli scienziati sono fiduciosi. Il progetto SKA (Square Kilometre Array), che coinvolge due telescopi di nuova generazione che saranno completati entro la fine del decennio, sarà probabilmente in grado di realizzare immagini vere e proprie dell’Universo primordiale. Con questo nuovo progetto, il James Webb e i suoi successori, la storia dei primordi dell’Universo potrebbe essere svelata prima di quanto immaginiamo.
La ricerca è stata sostenuta dal Science and Technology Facilities Council (STFC), parte di UK Research & Innovation (UKRI), e dalla Royal Society. Gli autori di Cambridge sono tutti membri del Kavli Institute for Cosmology di Cambridge. L’articolo, pubblicato sulla rivista Nature Astronomy, è reperibile a questo link.
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