Questa illustrazione dell'Agenzia spaziale europea mostra l'epoca della reionizzazione. quello che stai guardando, da sinistra a destra:la luce più antica dell'universo, le prime stelle, il processo di reionizzazione e le prime galassie. ESA - C. Carreau Gli astronomi hanno scoperto una reliquia cosmica dall'inizio del tempo che rivela quando le prime stelle hanno preso vita. Così facendo, potrebbero aver rivelato un indizio allettante su come la materia oscura abbia influenzato il nostro universo primordiale.
Prima di addentrarci in cos'è questa reliquia, dobbiamo tornare indietro nel tempo, subito dopo il Big Bang, avvenuta 13,8 miliardi di anni fa. Allora, l'universo era un vortice caldo ammasso di plasma, una densa raccolta di particelle altamente cariche (o ionizzate). Mentre il plasma si raffreddava e l'universo si espandeva, l'idrogeno neutro (l'atomo più elementare costituito da un protone e un elettrone) ha iniziato a formare circa 370, 000 anni dopo che il nostro universo ha preso vita. Infine, questo gas idrogeno neutro si aggregava per gravità, innescando la formazione delle prime stelle che eruttarono con potenti raggi X.
Esattamente quando avvenne "l'alba cosmica", però, è stato aperto al dibattito. È successo tanto tempo fa, e quella prima luce di quelle antiche stelle piccole è troppo debole per essere rilevata anche dall'osservatorio più avanzato.
Tuttavia, un'antenna radio delle dimensioni di un frigorifero situata nell'Australia occidentale ha contribuito a risolvere il dibattito. Fa parte dell'esperimento per rilevare l'epoca globale della firma della reionizzazione, o BORDI. Nella loro ricerca dell'alba cosmica, i ricercatori del progetto sono stati impegnati a sondare un'altra fonte di radiazioni antiche chiamata fondo cosmico a microonde, o il CMB. Spesso chiamato l'ultimo bagliore del Big Bang, questa radiazione riempie l'universo e Potere essere rilevato, quindi è utile per indagare sulla prima epoca dell'esistenza del nostro universo.
Torniamo a quei primi giorni dell'universo. Mentre i fotoni CMB viaggiavano attraverso l'idrogeno neutro interstellare nel periodo in cui le prime stelle sono nate, un'impronta digitale di nascita stellare è stata incorporata in questi fotoni. Miliardi di anni dopo, gli astronomi hanno appena visto il suo segnale:un "tuffo" rivelatore a una frequenza specifica.
"Questa è la prima volta che vediamo un segnale da così presto nell'Universo, a parte il bagliore del Big Bang, " ha detto a Nature l'astronomo Judd Bowman. Bowman, che lavora all'Arizona State University di Tempe, ha condotto lo studio pubblicato sulla rivista Nature il 28 febbraio.
Trovare questo segnale non è stato facile. I ricercatori hanno trascorso due anni a confermare e riconfermare i loro risultati, cercando di determinare se il segnale fosse davvero una finestra sull'alba cosmica o uno sfortunato rumore proveniente dalla nostra galassia. Hanno persino dovuto escludere scrupolosamente le interferenze radio dall'attività umana sulla e vicino alla Terra.
"Dopo due anni, abbiamo superato tutti questi test, e non ho trovato nessuna spiegazione alternativa, " Bowman ha riferito alla Natura. "A quel punto, abbiamo iniziato a provare entusiasmo".
Quel segnale importantissimo era un tuffo nell'energia della CMB a una frequenza di 78 megahertz. Ecco perché:la potente radiazione a raggi X delle prime stelle ha alterato il comportamento del gas idrogeno neutro nello spazio interstellare. Così facendo, mentre i fotoni CMB viaggiavano attraverso questo gas idrogeno, ha assorbito una particolare frequenza, quindi invece di cercare un'emissione specifica, gli astronomi hanno cercato un tipo specifico di assorbimento, o una certa frequenza di radiazione CMB che mancava. Questo calo potrebbe essere stato causato solo dai primi capricci dei raggi X delle prime stelle.
Questo dettagliato, L'immagine di tutto il cielo dei primi giorni dell'universo è stata creata utilizzando nove anni di dati raccolti dalla sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA. I diversi colori indicano le fluttuazioni di temperatura. Questi cambiamenti corrispondono ai semi che si svilupperebbero nelle galassie del nostro universo. NASA/WMAP Science Team Mentre l'universo si espande, col tempo, questa banda di assorbimento si è allungata. Così, misurando con precisione quanto si è allungato questo tuffo, i ricercatori sono stati in grado di calcolare quanti anni ha. Con tutta questa conoscenza in mano, potrebbero capire che le prime stelle sono nate non prima di 180 milioni di anni dopo il Big Bang. Ma non è tutto. I ricercatori sono stati in grado di registrare l'ora precisa in cui il segnale è stato commutato spento .
Quelle prime stelle hanno condotto vite dure e veloci, bruciando luminoso e morendo rapidamente come supernova. Questa morte di massa ha generato raggi X molto energetici, aumentando la temperatura dell'idrogeno neutro ambientale, interrompendo la sua caratteristica frequenza di assorbimento CMB. Questo accadde a circa 250 milioni di anni dopo il Big Bang. In effetti, questa ricerca ha aperto una finestra sull'alba cosmica, uno che è iniziato 180 milioni di anni dopo la nascita del nostro universo e si è concluso 70 milioni di anni dopo, un periodo che rappresenta il breve lasso di tempo delle prime stelle.
Questo scavo di archeologia cosmica potrebbe rivoluzionare la nostra visione delle prime epoche del nostro universo. Queste prime stelle furono le fabbriche che sfornarono i primi elementi pesanti, seminando il nostro universo con elementi che andrebbero ad arricchire successive popolazioni di stelle, producendo elementi sempre più pesanti che alla fine formarono il vasto serraglio di oggetti stellari, pianeti e, in definitiva, vita. Così, vedere questo momento importante è intravedere le prime fasi embrionali della diversa chimica del nostro universo.
"Se vogliamo veramente capire la scala cosmica delle nostre origini, questo è un passaggio fondamentale per capire, " ha aggiunto Bowman.
Questo lavoro sembra essere incappato in qualcos'altro, pure.
In un diverso studio di Nature basato su questo segnale CMB, un altro gruppo di ricerca osserva che il calo a 78 megahertz è notevole anche per quanto sia drammatico. Sebbene rappresenti solo un calo di energia dello 0,1 percento, quel calo è due volte più potente di quanto predice la teoria. Ciò potrebbe significare che c'era più radiazione di quanto previsto all'alba cosmica, o che l'idrogeno neutro veniva raffreddato da qualcosa . Se quest'ultimo si dimostra corretto, quel "qualcosa" potrebbe essere materia oscura.
Come sappiamo tutti, si teorizza che la materia oscura incorpori la maggior parte della massa nell'universo. Attraverso misurazioni indirette, gli astronomi sanno che è là fuori, ma non riescono a "vederlo". Interagisce così debolmente che possiamo solo rilevare la sua forza gravitazionale. Ma la profondità di questo calo della CMB potrebbe essere un segnale proveniente dagli effetti della materia oscura nel periodo in cui le prime stelle stavano nascendo, indietro quando si teorizza che la materia oscura sia fredda.
Se questo risulta essere il caso, le cose sono appena diventate ancora più eccitanti:se la profondità di questo tuffo viene amplificata dalla fredda materia oscura, significa che le particelle sono più piccole di quanto previsto dai modelli attuali di materia oscura. In altre parole, questa ricerca potrebbe affinare la ricerca della materia oscura e spiegare perché i fisici non hanno ancora capito di cosa si tratta.
"Se questa idea è confermata, poi abbiamo imparato qualcosa di nuovo e fondamentale sulla misteriosa materia oscura che costituisce l'85 percento della materia nell'universo, " ha aggiunto Bowman in una dichiarazione. "Questo fornirebbe il primo assaggio della fisica oltre il modello standard".
Queste sono scoperte senza dubbio significative e potrebbero rivoluzionare la nostra visione del cosmo, ma i ricercatori sottolineano che questo è solo l'inizio di molti anni di ricerca mirata. Alla luce della scoperta del tuffo, altri osservatori vengono riorganizzati per studiare questa interessante frequenza, come il progetto Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) situato nel deserto del Karoo in Sudafrica. Il progetto European Low-Frequency Array (LOFAR) mira a fare un passo avanti e mappare il segnale per vedere come varia nel cielo. Se la materia oscura amplifica questo segnale, gli astronomi dovrebbero vedere uno schema distinto.
Anche se c'è ancora molta strada da fare prima che tutte queste prove si sommino a una scoperta rivoluzionaria, è emozionante pensare che gli astronomi non abbiano appena aperto una finestra sull'alba cosmica; potrebbero aver aperto una finestra sulle origini della materia oscura, pure.
Ora è interessanteIl tasso di espansione dell'universo, nota come costante di Hubble dall'astronomo Edwin Hubble, è variato nei decenni da quando è stato ideato per la prima volta. Si pensa che la velocità attuale sia di 73 chilometri (45,3 miglia) al secondo per megaparsec. Un megaparsec equivale a circa 3,3 milioni di anni luce.
