Circa 13,8 miliardi di anni fa l’Universo era estremamente caldo. La sua densità, inizialmente molto alta, descresceva nel tempo e con essa anche la temperatura. Il plasma di quark e gluoni e la radiazione termica hanno subito quindi un rapido raffreddamento. Dopo alcune centinaia di migliaia di anni, il plasma si era raffreddato a sufficienza per la formazione degli atomi, fino al punto in cui c’era pochissima interazione tra quegli atomi e la radiazione termica rimanente. Quella radiazione nelle microonde, Cosmic Microwave Background (CMB) o radiazione cosmica di fondo, ha continuato a propagarsi nello spazio e lo sta ancora facendo.

Ora con l’array di telescopi IRAM NOEMA, sulle Alpi francesi, i ricercatori hanno osservato per la prima volta un oggetto così distante che lo vediamo come era solo 880 milioni di anni dopo il Big Bang. Si tratta di una nube di vapore acqueo che assorbe la radiazione a microonde più calda, bloccando parte della radiazione cosmica di fondo. Responsabile della nube sarebbe la galassia starbust HFLS3, in cui il processo di formazione stellare è estremamente violento.

Il grado di oscuramento provocato dalla nube in HFLS3 rivela la temperatura della radiazione cosmica di fondo durante l’infanzia dell’Universo. Si tratta di un punto chiave per la nostra conoscenza dell’espansione ed evoluzione cosmica, nonché dell’analizzare la coerenza con i modelli cosmologici.

Cosa sono le galassie starburst?

Le galassie dette “starburst” sono così definite perché hanno prodotto un numero insolitamente alto di nuove stelle in un breve periodo di tempo. Solitamente questo accade dopo una collisione o un incontro ravvicinato con altre galassie: è infatti necessario concentrare una grande quantità di gas molecolare freddo in un piccolo volume di spazio. L’esatto meccanismo non è ancora del tutto chiaro.

Se il tasso di formazione stellare rimanesse invariato per un periodo lungo di tempo, le riserve di gas della galassia si esaurirebbero molto più in fretta rispetto alla sua normale evoluzione. Per questo motivo, si pensa che i fenomeni di starburst siano temporanei.

Un’ombra rivelatrice sulla radiazione cosmica di fondo

La galassia starburst oggetto dello studio, HFLS3, contiene una nube di vapore acqueo dalle dimensioni considerevoli. La radiazione cosmica di fondo si comporta come una fonte di luce che, dal punto di vista degli osservatori, si trova dietro la nuvola, più fredda del CMB.  Il risultato sono le cosiddette linee di assorbimento: lunghezze d’onda specifiche in cui la luce della radiazione cosmica viene assorbita dalla nube fredda d’acqua.

In un certo senso, è come se la nube proiettasse un’ombra sullo sfondo cosmico a microonde, qualcosa che gli astronomi non avevano mai visto prima nell’Universo primordiale. Nello spettro del CMB è visibile l’assorbimento dovuto al vapore acqueo, cosa che permette di stimare la temperatura della radiazione cosmica di fondo mentre attraversava la nuvola 880 milioni di anni dopo il Big Bang.

La temperatura del CMB e l’espansione cosmica

Dalle osservazioni, i ricercatori deducono che il CMB in quel momento doveva avere una temperatura compresa tra 16,4 e 30,2 Kelvin. Una stima coerente con la temperatura di 20 Kelvin prevista dagli attuali modelli cosmologici per l’Universo di meno di un miliardo di anni. Questo è un risultato importante, vista la connessione diretta tra il raffreddamento del CMB e la storia dell’espansione cosmica.

Dal momento in cui la radiazione cosmica di fondo è stata rilasciata a oggi, infatti, l’Universo si è espanso di un fattore di circa 1100. Il CMB, originariamente a una temperatura di circa 3000 Kelvin, in questi giorni, raggiunge la Terra come radiazione a microonde a bassa energia.

Il legame diretto tra l’espansione del nostro universo e la temperatura CMB rende la radiazione cosmica di fondo portatrice d’informazioni molto preziose. Se potessimo misurare la temperatura del CMB in momenti diversi della storia cosmica, potremmo ricostruire come, in dettaglio, il nostro cosmo si è espanso.

Dominik Riechers, ricercatore dell’Università di Colonia e autore principale dello studio, afferma: “Se dovessero esserci deviazioni dalle tendenze previste, ciò potrebbe avere anche implicazioni dirette sulla natura dell’elusiva energia oscura“. In particolare, ci si aspetterebbe una sostanziale differenza nel modo in cui l’energia oscura “decade”, secondo i modelli teorici, trasferendo parte della sua energia alla materia ordinaria e alla radiazione nell’Universo.

Le galassie starburst: nuove intuizioni sull’evoluzione dell’Universo

La tecnica utilizzata dai ricercatori con la galassia HFLS3 tornerà utile in futuro per analizzare ulteriormente la temperatura dell’Universo primordiale. Questo sarà senz’altro d’aiuto per poter avanzare ipotesi più certe sull’evoluzione del cosmo. Altre galassie come HFLS3 sono note nell’universo primordiale. Molte di esse contengono nubi di vapore acqueo. I ricercatori quindi stanno utilizzando NOEMA per cercare ulteriori esempi e poter sfruttare lo stesso metodo di HFLS3. Questo potrebbe consentire loro di mappare il raffreddamento della radiazione cosmica di fondo durante l’infanzia del cosmo, quindi l’eco del Big Bang.

Lo studio completo, pubblicato su Nature, è disponibile qui.

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