Cosa è accaduto all’alba del cosmo? Qual è l’origine del Big Bang? Come si sono create le prime stelle? Quanto tempo hanno impiegato per costituire le galassie? Siamo certi che le nostre previsioni sull’Universo primordiale riescano a spiegare l’interazione tra i primi fotoni di luce e le particelle allora appena nate? Numerose sono le possibili risposte, tanto quanto le conseguenti nuove domande. Grazie ai nuovi dati del radiotelescopio HERA, Hydrogen Epoch of Reionization Array, gli scienziati del MIT forse stanno riuscendo a chiarire alcuni dei quesiti più pressanti.
Situato presso la South Africa Karoo Astronomy, HERA sta scandagliando il cielo alla ricerca dei primi segnali di formazione stellare e aggregazione delle galassie. Gli scienziati che ci lavorano, come Jacqueline Hewitt e Julius A. Stratton del MIT, stanno cercando di capire cosa sia successo durante quel periodo di 400 milioni di anni dopo il Big Bang, chiamato alba cosmica.
Durante le prime fasi della costruzione del radiotelescopio, durate un totale di 4 anni, è avvenuta la raccolta e l’analisi dei dati provenienti dall’Universo bambino grazie ai segnali radio. Dall’autunno 2021, i ricercatori della collaborazione internazionale che si occupa di HERA hanno cercato di ricostruire ciò che i risultati stavano dicendo loro. Ora, con uno studio pubblicato su The Astrophysical Journal, presentano nuove restrizioni alle tracce di idrogeno cosmico provenienti dai primordi dell’Universo.
HERA: ciò che è e ciò che sarà
Il radiotelescopio HERA opera come una serie di antenne radio, al momento 52. I dati raccolti per lo studio sono stati presi solo da 39 di esse, e quando sarà completamente costruito il telescopio sarà costituito da ben 350 antenne totali. A quel punto avrà una sensibilità tale da raccogliere informazioni da un Universo ancora più lontano, permettendoci di spingerci sempre più indietro nel tempo.
Insieme a MeerKAT, anch’esso in Sudafrica, l’Australian SKA Pathfinder e il Murchison Widefield Array, in Australia, HERA è uno dei quattro precursori dello Square Kilometre Array. Lo SKA sarà la più grande rete di radiotelescopi mai esistita sulla Terra, attualmente in costruzione. Avrà come obiettivo scientifico principale quello di scoprire i segreti dei primi milioni di anni del nostro Universo, e di come esso è evoluto da allora. “Non stiamo ancora facendo completamente ciò che possiamo fare” spiega il ricercatore del MIT Nicholas Kern, autore principale della ricerca riguardante HERA. “Questo risultato è dimostrazione di un primo assaggio all’analisi dei dati, che è una specie di fondamento per tutte le analisi future”.
Onde radio a bassa frequenza: segnali dall’Universo primordiale
Per riuscire a raggiungere i segnali dell’Universo primordiale, HERA utilizza le onde radio a bassa frequenza, che raggiungono ciò che non è facilmente osservabile. A differenza del telescopio spaziale Hubble, che osserva il 5% della materia osservabile nello spazio nella radiazione del visibile, HERA riesce a sondare il restante 95% di segnali. Quelli provenienti da un cosmo silenzioso che potrebbe suggerirci la storia della formazione ed evoluzione delle galassie.
I ricercatori di HERA stanno cercando negli spettri nel radio la linea spettrale di 21 cm, corrispondente alla lunghezza d’onda dell’idrogeno gassoso neutro. Questo tipo di segnale proviene dall’assorbimento o emissione dell’idrogeno nel materiale tra le galassie, il mezzo intergalattico. Lo chiamano “segnale di rotazione” e proviene dalla cosiddetta epoca della reionizzazione. Si tratta dell’era cosmica durante la quale l’idrogeno neutro che permeava l’Universo primordiale si è re-ionizzato, permettendo alla luce di filtrare e a noi di osservare i primi corpi celesti.
La linea di 21 cm dall’alba cosmica non è stata ancora individuata in modo definitivo. Tuttavia, i nuovi risultati di HERA forniscono dati, più sensibili di un fattore 10 rispetto ai risultati precedenti, sulla natura del segnale provenienti da quando l’Universo aveva 500 milioni di anni.
Con HERA uno sguardo al periodo precedente alle prime stelle
Con i risultati di HERA i ricercatori hanno potuto fornire prove che escludono diverse possibili teorie sulla formazione delle galassie. In particolare, i dati mostrano che deve esserci stato un meccanismo per riscaldare l’idrogeno nello spazio durante l’epoca della reionizzazione, prima dell’accensione delle prime stelle. Ciò suggerisce che le galassie formatesi successivamente abbiano dovuto avere buchi neri.
Con il finanziamento della Gordon and Betty Moore Foundation e della National Science Foundation, HERA opererà con 350 antenne e con un nuovo design dell’antenna che consentirà al telescopio di catturare onde radio a frequenza più bassa e allontanandosi ancora di più nel passato del cosmo.
Hewitt, capo progetto di HERA, ha lavorato sulla questione di quando si sono formate le prime stelle dal 2004. Ha guidato la prototipazione dei nuovi componenti a bassa frequenza e sta sviluppando nuove tecniche per analizzare i set di dati attuali e futuri. Il nuovo design delle antenne, dell’Università di Cambridge, dovrebbe essere installato a breve e aumenterà notevolmente la gamma d’informazioni che sono in grado di ottenere.
“Questa estensione a frequenze più basse è importante perché ci porta a questo periodo prima delle prime stelle” afferma Hewitt. “Stiamo costruendo uno strumento che guarda indietro nel tempo di 13 miliardi di anni. È sorprendente che possiamo davvero farlo.”
Lo studio sui dati di HERA è disponibile qui.
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