Martedì 13 Novembre 2018
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Evidenze sulle primissime stelle dell'universo

In alto, aspetto dell'universo osservato a 21 cm in base alle simulazioni; in basso, andamento della temperatura (legato all'intensità del segnale) per diverse epoche e quindi diverse lunghezze d'onda
In alto, aspetto dell'universo osservato a 21 cm in base alle simulazioni; in basso, andamento della temperatura (legato all'intensità del segnale) per diverse epoche e quindi diverse lunghezze d'onda Credit: Pritchard and Loeb - Astro-Ph.CO - 2012

Sarebbero apparse entro 180 milioni di anni dopo il Big Bang ma non sono state osservate direttamente: il loro effetto sull'idrogeno interstellare ha lasciato una firma che un gruppo di radioastronomi australiani è riuscito a rivelare per primo, peraltro con uno strumento relativamente piccolo ed economico! Le implicazioni della scoperta riguardano anche la natura della materia oscura.

Preambolo: dal Big Bang alla re-ionizzazione, passando per le "epoche oscure"

 L'universo, subito dopo il Big Bang, era un crogiuolo di materia ed enerigia ad altissima temperatura e densità; queste due componenti, all'inizio, si scambiavano continuamente di ruolo, dando vita a nuove particelle elementari. Dopo pochi minuti, si sono creati e stabilizzati i nuclei atomici (essenzialmente Idrogeno ed Elio primordiali, con tracce di Litio) e poi, con l'ulteriore diluirsi dell'energia dovuta all'espansione, per alcuni millenni materia e radiazione si sono raffreddati progressivamente, passando da alcuni miliardi a alcune migliaia di gradi, mantenendosi sempre in equilibrio termico tra di loro.

 In quell'epoca iniziale l'universo risultava otticamente opaco poichè, appunto, la radiazione elettromagnetica veniva continuamente assorbita e riemessa in un'altra direzione dagli atomi a cui strappava elettroni, poi brevemente ricatturati; questo processo di diffusione, analogo a quello che capita alla luce passando nella nebbia, rende impossibile risalire alla direzione iniziale di provenienza ovvero alla sorgente di luce. Ad un certo punto, 380mila anni dal Big Bang, è successo qualcosa di nuovo: la luce, perdendo energia, non è stata più in grado di ionizzare gli atomi di idrogeno e questo si è trasformato da plasma a un gas neutro, otticamente trasparente; è stato allora che si è generata la radiazione cosmica di fondo, come ultima testimonianza di quell'epoca di perfetto equilibrio poi spezzato.

 In assenza di altre sorgenti di luce energetica, l'universo divenne sempre più buio, entrando nella cosiddetta Dark Age; la materia si andò raffreddando "adiabaticamente" (come in un sistema isolato) e al suo interno le piccole variazioni di densità nella materia oscura, generate da minuscole oscillazioni quantistiche iniziali amplificate dall'inflazione, crebbero sempre più sotto l'effetto della gravità. Svariate decine di milioni di anni dopo, in corrispondenza di questi filamenti di materia più densi, nubi di gas collassarono gravitazionalmente dando luogo alle prime stelle, presumibilmente molto più calde e massicce di quello che popolano l'universo attuale. Fu allora che l'universo riemerse dall'epoca oscura, entrando nella fase di re-ionizzazione che durò un centinaio di milioni d'anni e diede luogo a una prima generazione di astri che cambiò la composizione chimica dell'universo, rendendo peraltro possibile, miliardi di anni dopo, la comparsa della vita come la conosciamo!

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Ricostruzione artistica i una stella primordiale avvolta da nubi di idrogeno parzialmente ionizzato; sullo sfondo, a sinistra, fa capolino la radiazione fossile. - Credit: NSF

2) La riga a 21 cm dell'Idrogeno

 Il quadro evolutivo appena descritto è quello più accreditato, basato sull'attuale "modello Standard" di universo venuto fuori in quasi 100 anni di studi e scoperte, molte delle quali sono arrivate solo negli ultimi 2 decenni. Tuttavia, i dettagli su come sono andate realmente le cose e le tempistiche precise, almeno fino a poco tempo fa, non le conosceva nessuno e c'erano molti modelli sull'epoca della reionizzazione che differiscono abbastanza nelle previsioni. Tutti i modelli, però, concordano nel dire che quell'evento deve avere lasciato una impronta nella regione delle onde radio, in particolare in corrispondenza di una transizione speciale dentro l'atomo di idrogeno che caratterizza il passaggio dell'elettrone da uno stato di spin parallelo a uno "antiparallelo" rispetto al protone nel nucleo. Stiamo parlando della celebre riga a 21 cm dell'idrogeno neutro (HI), la prima ad essere osservata in radioastronomia.

 Il termine "21 cm" si riferisce alla lunghezza d'onda emessa o assorbita da una sorgente a noi vicina; essa corrisponde a una frequenza di circa 1420 MHz (che poi è la frequenza del maser a idrogeno, oggi usato come riferimento assoluto per la misura del tempo). Nel caso di un evento come la reionizzazione, avvenuto così indietro nel tempo, c'è naturalmente da tenere conto del drastico spostamento verso il rosso z che, a seconda dei modelli, dovrebbe aver abbassato quella frequenza nella regione che va da 30 a 200 MHz (45<z<6).

 Ma cosa dovremmo osservare effettivamente a causa della re-ionizzazione del gas causato dall'apparizione delle prime stelle? Il meccanismo è chiamato "Wouthuysen-Field effect" e, in pratica, consiste nell'assorbimento, da parte dell'idrogeno neutro, dell'intensa radiazione ultravioletta (riga Lyman-α) emessa dall'idrogeno ionizzato nella fotosfera stellare o nelle nubi immediatamente circostanti. Questo farebbe saltare l'elettrone su livelli energetici più alti e, quando essi tornano allo stato energetico fondamentale, il risultato di questi salti è una inversione netta dello spin dell'elettrone. Di fatto, la popolazione di simili elettroni in termini di spin parallelo/antiparallelo era precedentemente determinata dall'equilibrio termico con la la radiazione cosmica di fondo, ma ora non lo è più. Tutto ciò si dovrebbe tradurre in un assorbimento della radiazione in tutte le direzioni del cielo e questo assorbimento cadrebbe in un intervallo di lunghezze d'onda definito proprio dallo spostamento verso il rosso e quindi dalle epoche in cui è iniziata ed è finita questa fase di ionizzazione.

 L'immagine in apertura dell'articolo sintetizza il risultato delle simulazioni sulla riga a 21 cm, in funzione dell'età dell'universo, dello spostamento verso il rosso e della frequenza della riga osservata; le zone in azzurro nella parte superiore indicano appunto l'assorbimento, mentre quelle in rosso l'emissione (entrambe misurate come "temperatura di brillanza"). Fino a pochi anni fa, i modelli suggerivano una re-ionizzazione abbastanza precoce (z>10, ovvero entro 150 milioni di anni dal Big Bang); invece, 3 anni fa, l'analisi delle misure fatte dal satellite Plank sulla polarizzazione della radiazione cosmica di fondo suggerirono che la reionizzazione fosse iniziata piuttosto tardi, da 300 a 500 milioni di anni dopo il Big Bang. In ogni caso, il segnale andava cercato sotto i 200 MHz, nella regione delle onde metriche.

 

3) La scoperta appena compiuta

 Data l'importanza dell'osservazione di cui stiamo parlando, molte istituzioni ultimamente si stanno impegnando nella rivelazione di possibili segnali di re-ionizzazione nella banda delle onde radio a bassa frequenza (quella che per decenni era stata la cenerentola, un pò snobbata dai radioastronomi): gli strumenti più noti costruito a questo scopo sono il LOFAR telescope (Low-Frequency Array) nei Paesi Bassi, il Murchison Wide-field Array in Australia occidentale, HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) in Sud Africa e, naturalmente, le costruende antenne a bassa frequenza nell'ambito del ciclopico progetto SKA (Square Kilometer Array), di cui esiste un prototipo anche in Sardegna, presso il Sardinia Radio Telescope.

EDGES

Lo strumento "Edges" nel deserto australiano; a destra il dettaglio del ricevitore centrale, realizzato con due piastre metalliche sostenute da supporti in fibra di vetro. - Credit: CSIRO Australia

Tuttavia, nessuno di questi grandi sforzi aveva avuto successo, finora; invece a scamparla è stato un progetto "minore" (in termini finanziari) ma frutto di un grosso sforzo di pazienza e determinazione, andando anche controcorrente. Si tratta del progetto EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of reionization Signature), finanziato dalla National Science Foundation e situato nel "cuore rosso" dell'Australia, le regioni interne semidesertiche caratterizzate da una quasi perfetta radio-quiete. Realizzato con una rete riflettente a livello del terreno, grande come due campi da tennis, e un ricevitore centrale "a dipolo" grande quanto un tavolo da ping-pong, EDGES è un rilevatore estremamente ben calibrato per esplorare le frequenze metriche. L'elettronica di amplificazione, ridotta al minimo per evitare interferenze, è sistemata in una scatola sotto il livello del terreno (si veda l'immagine qui sopra).

 Dopo ben 12 anni di sforzi osservativi, inizialmente infruttuosi anche perchè concentrati su frequenze troppo basse, un team di scienziati guidati da Judd Bowman ha finalmente visto un chiaro segnale di assorbimento centrato sui 78 MHz (lunghezza d'onda di 3,8 metri), come raccontato in un articolo pubblicato il 1 Marzo su Nature. A dire il vero, non si tratta di una semplice riga di assorbimento ma di una banda piuttosto larga (v. grafico sottostante), che si estende per circa 19 MHz, se misurata a metà altezza; anche questo era stato previsto, dal momento che l'epoca di re-ionizzazione si estende nel tempo. In particolare, il margine inferiore della riga cade sui 67 MHz, il che implica z=20 e quindi un'epoca di 180 milioni di anni per l'inizio della re-ionizzazione; il sospetto è che, a quell'epoca, le prime stelle dovevano già essere nate da un pò. Il margine superiore cade invece a 88,5 MHz, dunque si sarebbe generato circa 90 milioni di anni dopo e questa è l'epoca in cui la temperatura del gas è salita al di sopra di quella della radiazione, presumibilmente causando stavolta una riga in emissione (si faccia sempre riferimento all'immagine in apertura); tale emissione, per ora, non è stata osservata ma si spera di vederla presto con altri strumenti. 

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La curva di assorbimento osservata e opportunamente smussata (in nero). In giallo e blu i modelli matematici corrispondenti. - Credits: Bowman et al. / Nature

 Anche se il profilo della riga è in buon accordo con le previsioni teoriche, la stessa cosa non si può dire per la sua profondità che è almeno il doppio di quanto previsto. Gli autori dell'articolo tentano di dare una spiegazione per un segnale così forte, che potrebbe essere conseguenza di un gas primordiale molto più freddo del previsto oppure una temperatura più alta per la radiazione di fondo.

 Un possibile meccanismo astrofisico all'origine della discrepanza viene illustrato in un altro articolo all'interno della stessa rivista: secondo il ricercatore israeliano R. Barkana, infatti, potrebbe essere il raffreddamento del gas ad opera della materia oscura a generare un segnale anche un ordine di grandezza più intenso di quanto precedentemente previsto; questo però richiede che le particelle WIMP costituenti la suddetta materia oscura siano più leggere e pù "calde" di quanto finora ipotizzato (in pratica si tratterebbe di particelle con massa pari ad alcune volte quella del protone e con velocità comunque non relativistiche). Insomma, lo studio di questo segnale "cosmologico" a 21 cm si potrebbe rivelare anche uno strumento di indagine su questa enigmatica componente dell'universo!

 

Riferimenti:
https://phys.org/news/2018-02-secrets-universe.html
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/primordial-chill-hints-at-dark-matter-interactions/

https://www.nature.com/articles/nature25792
https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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