Circa 12 miliardi di anni fa, l'universo è emerso da una grande era oscura cosmica quando le prime stelle e galassie si sono illuminate. Con una nuova analisi dei dati raccolti dal radiotelescopio Murchison Widefield Array (MWA), gli scienziati sono ora più vicini che mai a rilevare la firma ultra-debole di questo punto di svolta nella storia cosmica.

In un articolo sul sito di prestampa ArXiv e presto in pubblicazione su The Giornale Astrofisico , i ricercatori presentano la prima analisi dei dati di una nuova configurazione del MWA progettata appositamente per cercare il segnale dell'idrogeno neutro, il gas che ha dominato l'universo durante l'età oscura cosmica. L'analisi stabilisce un nuovo limite, il limite più basso finora, per la forza del segnale dell'idrogeno neutro.

"Possiamo dire con sicurezza che se il segnale dell'idrogeno neutro fosse più forte del limite che abbiamo fissato nel documento, allora il telescopio l'avrebbe rilevata, " ha detto Jonathan Pober, un assistente professore di fisica alla Brown University e autore corrispondente del nuovo articolo. "Questi risultati possono aiutarci a limitare ulteriormente i tempi di quando le ere oscure cosmiche sono terminate e sono emerse le prime stelle".

La ricerca è stata guidata da Wenyang Li, che ha svolto il lavoro come Ph.D. studente alla Brown. Li e Pober hanno collaborato con un gruppo internazionale di ricercatori che lavorano con l'MWA.

Nonostante la sua importanza nella storia cosmica, poco si sa del periodo in cui si formarono le prime stelle, nota come Epoca della Reionizzazione (EoR). I primi atomi che si sono formati dopo il Big Bang erano ioni di idrogeno carichi positivamente, atomi i cui elettroni sono stati strappati via dall'energia dell'universo infantile. Mentre l'universo si raffreddava e si espandeva, atomi di idrogeno riuniti con i loro elettroni per formare idrogeno neutro. Ed è quasi tutto quello che c'era nell'universo fino a circa 12 miliardi di anni fa, quando gli atomi hanno iniziato ad aggregarsi per formare stelle e galassie. La luce di quegli oggetti ha riionizzato l'idrogeno neutro, facendolo scomparire in gran parte dallo spazio interstellare.

L'obiettivo di progetti come quello in corso al MWA è localizzare il segnale dell'idrogeno neutro dai secoli bui e misurare come è cambiato mentre si svolgeva l'EoR. Ciò potrebbe rivelare informazioni nuove e critiche sulle prime stelle, i mattoni dell'universo che vediamo oggi. Ma intravedere quel segnale vecchio di 12 miliardi di anni è un compito difficile che richiede strumenti con una sensibilità squisita.

Quando ha iniziato a operare nel 2013, l'MWA era un array di 2, 048 antenne radio disposte nella remota campagna dell'Australia occidentale. Le antenne sono raggruppate insieme in tessere da 128", " i cui segnali sono combinati da un supercomputer chiamato Correlator. Nel 2016, il numero di tessere è stato raddoppiato a 256, e la loro configurazione nel paesaggio è stata modificata per migliorare la loro sensibilità al segnale dell'idrogeno neutro. Questo nuovo documento è la prima analisi dei dati dall'array espanso.

L'idrogeno neutro emette radiazioni a una lunghezza d'onda di 21 centimetri. Poiché l'universo si è espanso negli ultimi 12 miliardi di anni, il segnale dall'EoR è ora allungato a circa 2 metri, ed è quello che gli astronomi MWA stanno cercando. Il problema è che ci sono una miriade di altre sorgenti che emettono alla stessa lunghezza d'onda:sorgenti create dall'uomo come la televisione digitale e sorgenti naturali dalla Via Lattea e da milioni di altre galassie.

"Tutte queste altre fonti sono molti ordini di grandezza più forti del segnale che stiamo cercando di rilevare, " Ha detto Pober. "Anche un segnale radio FM riflesso da un aereo che passa sopra il telescopio è sufficiente per contaminare i dati".

Per entrare nel segnale, i ricercatori utilizzano una miriade di tecniche di lavorazione per eliminare questi contaminanti. Allo stesso tempo, rappresentano le risposte in frequenza uniche del telescopio stesso.

"Se osserviamo diverse frequenze radio o lunghezze d'onda, il telescopio si comporta in modo leggermente diverso, " Ha detto Pober. "La correzione per la risposta del telescopio è assolutamente fondamentale per poi effettuare la separazione dei contaminanti astrofisici e del segnale di interesse".

Queste tecniche di analisi dei dati combinate con la capacità ampliata del telescopio stesso hanno portato a un nuovo limite superiore della potenza del segnale EoR. È la seconda analisi consecutiva del miglior limite fino ad oggi rilasciata da MWA e fa sperare che l'esperimento un giorno rileverà l'elusivo segnale EoR.

"Questa analisi dimostra che l'aggiornamento della fase due ha avuto molti degli effetti desiderati e che le nuove tecniche di analisi miglioreranno le analisi future, " Ha detto Pober. "Il fatto che MWA abbia ora pubblicato uno dopo l'altro i due migliori limiti del segnale dà slancio all'idea che questo esperimento e il suo approccio hanno molte promesse".