Le regioni più aride conosciute sono gli angoli remoti dello spazio intergalattico. In queste vaste distese tra le galassie c'è solo un atomo solitario per metro cubo:una diffusa nebbia di idrogeno gassoso rimasto dal Big Bang. Alle scale più grandi, questo materiale è organizzato in una vasta rete di strutture filamentose nota come "rete cosmica, " i suoi fili aggrovigliati si estendono per miliardi di anni luce e rappresentano la maggior parte degli atomi nell'universo.

Ora, una squadra di astronomi, tra cui il fisico dell'UC Santa Barbara Joseph Hennawi, hanno effettuato le prime misurazioni di increspature su piccola scala in questo gas idrogeno primordiale utilizzando rari doppi quasar. Sebbene le regioni della rete cosmica che hanno studiato si trovino a quasi 11 miliardi di anni luce di distanza, sono stati in grado di misurare le variazioni nella sua struttura su scale 100, 000 volte più piccolo, paragonabile alle dimensioni di una singola galassia. I risultati appaiono sulla rivista Scienza .

Il gas intergalattico è così tenue che non emette luce propria. Gli astronomi invece lo studiano indirettamente osservando come assorbe selettivamente la luce proveniente da sorgenti lontane note come quasar. I quasar costituiscono una breve fase iperluminosa del ciclo di vita galattico alimentato dalla materia che cade nel buco nero supermassiccio centrale di una galassia. Agendo come fari cosmici, sono luminosi, fari distanti che consentono agli astronomi di studiare gli atomi intergalattici che risiedono tra la posizione del quasar e la Terra. Ma poiché questi episodi iperluminosi durano solo una piccola frazione della vita di una galassia, i quasar sono corrispondentemente rari e sono tipicamente separati l'uno dall'altro da centinaia di milioni di anni luce.

Per sondare la rete cosmica su scale di lunghezza molto più piccole, gli astronomi hanno sfruttato una fortuita coincidenza cosmica:hanno identificato coppie di quasar estremamente rare e misurato sottili differenze nell'assorbimento degli atomi intergalattici lungo le due linee di vista.

"Le coppie di quasar sono come aghi in un pagliaio, "ha spiegato Hennawi, professore associato presso il Dipartimento di Fisica dell'UCSB. Hennawi ha aperto la strada all'applicazione di algoritmi del "machine learning", un marchio di intelligenza artificiale, per individuare in modo efficiente le coppie di quasar nelle enormi quantità di dati prodotti dalle indagini di imaging digitale del cielo notturno. "Per trovarli, abbiamo setacciato le immagini di miliardi di oggetti celesti milioni di volte più deboli di quanto l'occhio nudo possa vedere".

Una volta identificato, le coppie di quasar sono state osservate con i più grandi telescopi del mondo, compresi i telescopi Keck da 10 metri del W.M. Osservatorio Keck sul Mauna Kea, Hawaii, di cui l'Università della California è socio fondatore.

"Una delle maggiori sfide è stata lo sviluppo di strumenti matematici e statistici per quantificare le minuscole differenze che abbiamo misurato in questo nuovo tipo di dati, " ha detto l'autore principale Alberto Rorai, L'ex dottorato di ricerca di Hennawi. studente che ora è ricercatore post-dottorato presso l'Università di Cambridge. Rorai ha sviluppato questi strumenti come parte della ricerca per il suo dottorato e li ha applicati agli spettri dei quasar con Hennawi e altri colleghi.

Gli astronomi hanno confrontato le loro misurazioni con modelli di supercomputer che simulano la formazione di strutture cosmiche dal Big Bang al presente. Su un singolo laptop, questi calcoli complessi richiederebbero quasi 1, 000 anni da completare, ma i moderni supercomputer hanno permesso ai ricercatori di realizzarli in poche settimane.

"L'input per le nostre simulazioni sono le leggi della fisica e l'output è un universo artificiale, che può essere direttamente confrontato con i dati astronomici, " ha detto il co-autore Jose Oñorbe, un ricercatore post-dottorato presso il Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, Germania, che ha guidato lo sforzo di simulazione del supercomputer. "Sono stato felice di vedere che queste nuove misurazioni concordano con il paradigma consolidato di come si formano le strutture cosmiche".

"Una ragione per cui queste fluttuazioni su piccola scala sono così interessanti è che codificano informazioni sulla temperatura del gas nella rete cosmica solo pochi miliardi di anni dopo il Big Bang, " ha spiegato Hennawi.

Gli astronomi credono che la materia nell'universo abbia attraversato transizioni di fase miliardi di anni fa, che ha cambiato drasticamente la sua temperatura. Conosciuto come reionizzazione cosmica, queste transizioni si sono verificate quando il bagliore ultravioletto collettivo di tutte le stelle e i quasar dell'universo è diventato abbastanza intenso da rimuovere gli elettroni dagli atomi nello spazio intergalattico. Come e quando si è verificata la reionizzazione è una delle più grandi questioni aperte nel campo della cosmologia, e queste nuove misurazioni forniscono importanti indizi che aiuteranno a narrare questo capitolo della storia cosmica.