‎La fine dell’alba cosmica‎

Analizzando la luce di oggetti lontanissimi, i quasar, gli astronomi sono risaliti a quando il gas nell’universo ha smesso di ionizzarsi, epoca conosciuta come l’alba cosmica.

 

‎L’Universo ha attraversato diverse fasi dal suo inizio al suo stato attuale. Durante i primi 380.000 anni dopo il Big Bang era un plasma ionizzato caldo e denso: elettroni e protoni liberi impedivano ai fotoni di propagarsi, dando origine così a una “epoca buia”, dove non c’era luce o altra radiazione elettrmagnetica libera e ovviamente tutto appariva oscuro.

Quando si raffreddò abbastanza da permettere ai protoni e agli elettroni che riempivano l’Universo di combinarsi in atomi di idrogeno neutro, finalmente i fotoni furono liberi di irraggiarsi nell’universo, e la luce che si propagò in quel momento è una vestigia del primissimo universo, che possiamo ancora ossevare sotto forma di radiazione cosmica di fondo, in tutte le direzioni e ovunque nel cielo.

Questa fase è nota come epoca della ricombinazione. Con l’avvento delle prime stelle e galassie circa 100 milioni di anni dopo, la radiazione ultravioletta delle stelle gradualmente ionizzò quel gas di nuovo, separando ancora gli elettroni dai protoni. Questa era è comunemente conosciuta come “l’alba cosmica”.

Oggi, tutto l’idrogeno sparso tra le galassie, il gas intergalattico, è completamente ionizzato. Ma quand si è verificata esattamse dell’univers?

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‎Un team internazionale di astronomi guidato da Sarah Bosman del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, ha stabilito con precisione la fine dell’epoca di reionizzazione a 1,1 miliardi di anni dopo il Big Bang.

“‎‎Sono affascinata dall’idea delle diverse fasi che l’Universo ha attraversato portando alla formazione del Sole e della Terra. È un grande privilegio contribuire con un nuovo piccolo pezzo alla nostra conoscenza della storia cosmica”,‎‎ dice Sarah Bosman. È l’autrice principale dell’articolo di ricerca che appare sui ‎‎Monthly Notice della Royal Astronomical Society‎‎.‎

‎Frederick Davies, anche lui astronomo MPIA e co-autore dell’articolo, ‎‎commenta: “Fino a pochi anni fa, si credeva che la reionizzazione fosse finita quasi 200 milioni di anni prima. Ora abbiamo la prova più forte che il processo si è concluso molto più tardi, durante un’epoca cosmica più facilmente osservabile con i nostri mezzi”‎‎.

Questa correzione temporale può apparire marginale considerando i miliardi di anni trascorsi dal Big Bang. Tuttavia, qualche centinaio di milioni di anni in più è stato sufficiente per produrre diverse dozzine di generazioni stellari nella prima evoluzione cosmica.

La tempistica dell’era dell'”alba cosmica” limita la natura e la durata delle sorgenti ionizzanti presenti durante le centinaia di milioni di anni in cui è durata.‎

Un approccio indiretto è attualmente l’unico modo per caratterizzare gli oggetti che hanno guidato il processo di reionizzazione. Osservare direttamente quelle prime stelle e galassie è al di là delle capacità dei telescopi contemporanei. Sono semplicemente troppo deboli per ottenere dati utili entro un ragionevole lasso di tempo. Anche le strutture di prossima generazione come l’Extremely Large Telescope (ELT) dell’ESO o il James Webb Space Telescope potrebbero avere difficoltà con un tale compito.‎

‎Per indagare quando l’Universo è stato completamente ionizzato, gli scienziati possono misurare l’emissione di idrogeno gassoso neutro sulla famosa linea spettrale di 21 centimetri. Oppure, come Sarah Bosman e i suoi colleghi, analizzare la luce ricevuta da forti sorgenti di fondo.

Hanno impiegato 67 quasar, i dischi luminosi di gas caldo che circondano i buchi neri massicci centrali in galassie attive lontane. Osservando uno spettro di quasar gli scienziati hanno studiato le linee di assorbimento, cioà come l’idrogeno gassoso neutro assorbe una porzione di luce lungo il suo viaggio dalla sorgente al telescopio. Gli spettri di quei 67 quasar sono di una qualità senza precedenti, che è stata cruciale per il successo di questo studio.‎

‎Il metodo prevede l’osservazione di una linea spettrale equivalente a una lunghezza d’onda di 121,6 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro). Questa lunghezza d’onda appartiene all’ultravioletto ed è la linea spettrale dell’idrogeno più forte. Tuttavia, l’espansione cosmica sposta lo spettro dei quasar a lunghezze d’onda più lunghe quanto da più lontano arriva la luce. Pertanto, lo spostamento verso il rosso della linea di assorbimento UV osservata può essere tradotto nella distanza dalla Terra. In questo studio, l’effetto aveva spostato la linea UV nella gamma infrarossa quando raggiungeva il telescopio.‎

‎A seconda della frazione tra idrogeno gassoso neutro e ionizzato, il grado di assorbimento raggiunge un valore particolare. Quando la luce incontra una regione con un’alta frazione di gas ionizzato, non può assorbire le radiazioni UV in modo efficiente. Questa proprietà è ciò che il team stava cercando.‎

‎La luce del quasar passa attraverso molte nubi di idrogeno a diverse distanze sul suo percorso, ognuna delle quali lascia la sua impronta. L’analisi della variazione dovrebbe indicare il tempo o la distanza alla quale l’idrogeno gassoso è stato completamente ionizzato.‎

‎‎Sfortunatamente, le circostanze sono ancora più complicate. Dalla fine della reionizzazione, solo lo spazio intergalattico si è completamente ionizzato. Esiste una rete di materia parzialmente neutra che collega galassie e ammassi di galassie, chiamata “rete cosmica”:  l’idrogeno gassoso neutro lascia il segno anche nella luce del quasar.‎

‎Per districare queste influenze, il team ha applicato un modello fisico che riproduce le variazioni misurate in un’epoca molto più tarda quando il gas intergalattico era già completamente ionizzato. Quando hanno confrontato il modello con i loro risultati, hanno scoperto una deviazione a una lunghezza d’onda in cui la linea di 121,6 nanometri è stata spostata di un fattore di 5,3 volte, corrispondente a un’età cosmica di 1,1 miliardi di anni.

Pertanto, quello è stato l’ultimo periodo in cui l’idrogeno gassoso neutro deve essere stato presente nello spazio intergalattico e successivamente è stato ionizzato. Era la fine dell'”alba cosmica”.‎

‎‎”‎‎Questo nuovo set di dati fornisce un punto di riferimento cruciale rispetto al quale le simulazioni numeriche del primo miliardo di anni dell’Universo saranno testate per gli anni a venire”,‎‎ afferma Frederick Davies. Aiuteranno a caratterizzare le sorgenti ionizzanti, le primissime generazioni di stelle.‎

‎”‎‎La direzione futura più eccitante per il nostro lavoro è espanderlo a tempi ancora precedenti, verso il punto medio del processo di reionizzazione”,‎‎ sottolinea Sarah Bosman. “‎‎Sfortunatamente, a distanze maggiori i quasar sono significativamente più deboli. Pertanto i telescopi di prossima generazione come l’ELT saranno cruciali“.‎

 

Immagine:  Carnegie Institution for Science / MPIA