Molto tempo fa, circa 400, 000 anni dopo l'inizio dell'universo (il Big Bang), l'universo era oscuro. Non c'erano stelle o galassie, e l'universo era pieno principalmente di gas idrogeno neutro.

Quindi, per i prossimi 50-100 milioni di anni, la gravità ha lentamente unito le regioni più dense di gas fino a quando alla fine il gas è collassato in alcuni punti per formare le prime stelle.

Com'erano quelle prime stelle e quando si sono formate? In che modo hanno influenzato il resto dell'universo? Queste sono domande che astronomi e astrofisici si sono posti a lungo.

Ora, dopo 12 anni di sforzi sperimentali, un team di scienziati, guidato dall'astronomo della ASU School of Earth and Space Exploration Judd Bowman, ha rilevato le impronte digitali delle prime stelle dell'universo. Usando i segnali radio, il rilevamento fornisce la prima prova per gli antenati più antichi nel nostro albero genealogico cosmico, nato da soli 180 milioni di anni dopo l'inizio dell'universo.

"C'è stata una grande sfida tecnica nell'effettuare questo rilevamento, poiché le fonti di rumore possono essere mille volte più luminose del segnale - è come essere nel mezzo di un uragano e cercare di sentire il battito dell'ala di un colibrì." afferma Peter Kurczynski, il funzionario del programma della National Science Foundation che ha sostenuto questo studio. "Questi ricercatori con una piccola antenna radio nel deserto hanno visto più lontano dei più potenti telescopi spaziali, aprendo una nuova finestra sull'universo primordiale."

Radioastronomia

Per trovare queste impronte digitali, La squadra di Bowman ha usato uno strumento a terra chiamato spettrometro radio, situato presso l'agenzia scientifica nazionale australiana (CSIRO) Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO) nell'Australia occidentale. Attraverso il loro esperimento per rilevare la firma globale EoR (EDGES), il team ha misurato lo spettro radio medio di tutti i segnali astronomici ricevuti nella maggior parte del cielo dell'emisfero australe e ha cercato piccoli cambiamenti di potenza in funzione della lunghezza d'onda (o frequenza).

Quando le onde radio entrano nell'antenna terrestre, sono amplificati da un ricevitore, e poi digitalizzati e registrati dal computer, simile a come funzionano i ricevitori radio FM e i ricevitori TV. La differenza è che lo strumento è calibrato in modo molto preciso e progettato per funzionare nel modo più uniforme possibile su molte lunghezze d'onda radio.

I segnali rilevati dallo spettrometro radio in questo studio provenivano dal gas idrogeno primordiale che riempiva il giovane universo ed esisteva tra tutte le stelle e le galassie. Questi segnali contengono una grande quantità di informazioni che aprono una nuova finestra su come le prime stelle - e in seguito, buchi neri, e galassie - si sono formate e si sono evolute.

"È improbabile che saremo in grado di vedere prima nella storia delle stelle nelle nostre vite, " afferma Bowman. "Questo progetto dimostra che una nuova tecnica promettente può funzionare e ha aperto la strada a decenni di nuove scoperte astrofisiche".

Questo rilevamento evidenzia l'eccezionale silenziosità radio dell'MRO, soprattutto perché la caratteristica trovata da EDGES si sovrappone alla gamma di frequenza utilizzata dalle stazioni radio FM. La legislazione nazionale australiana limita l'uso di trasmettitori radio entro 161,5 miglia (260 km) dal sito, riducendo sostanzialmente le interferenze che altrimenti potrebbero soffocare le osservazioni astronomiche sensibili.

I risultati di questo studio sono stati recentemente pubblicati in Natura di Bowman, con i coautori Alan Rogers dell'Haystack Observatory del Massachusetts Institute of Technology, Raul Monsalve dell'Università del Colorado, e Thomas Mozdzen e Nivedita Mahesh anche della School of Earth and Space Exploration dell'ASU.

Risultati inaspettati

I risultati di questo esperimento confermano le aspettative teoriche generali su quando si formarono le prime stelle e le proprietà più basilari delle prime stelle.

"Cosa sta succedendo in questo periodo, " dice il coautore Rogers dell'Haystack Observatory del MIT, "è che parte della radiazione delle primissime stelle sta iniziando a consentire di vedere l'idrogeno. Sta facendo sì che l'idrogeno inizi ad assorbire la radiazione di fondo, così inizi a vederlo in silhouette, a determinate frequenze radio. Questo è il primo vero segnale che le stelle stanno iniziando a formarsi, e iniziando a influenzare il mezzo intorno a loro."

Il team ha originariamente accordato il proprio strumento per guardare più avanti nel tempo cosmico, ma nel 2015 hanno deciso di estendere la loro ricerca. "Non appena abbiamo passato il nostro sistema a questa gamma più bassa, abbiamo iniziato a vedere cose che sentivamo potessero essere una vera firma, " dice Rogers. "Vediamo questo calo più forte a circa 78 megahertz, e quella frequenza corrisponde a circa 180 milioni di anni dopo il Big Bang, " dice Rogers. "In termini di rilevamento diretto di un segnale dal gas idrogeno stesso, questo deve essere il primo."

Lo studio ha anche rivelato che il gas nell'universo era probabilmente molto più freddo del previsto (meno della metà della temperatura prevista). Ciò suggerisce che gli sforzi teorici degli astrofisici hanno trascurato qualcosa di significativo o che questa potrebbe essere la prima prova di fisica non standard:in particolare, che i barioni (materia normale) potrebbero aver interagito con la materia oscura e perso lentamente energia a favore della materia oscura nell'universo primordiale, un concetto che è stato originariamente proposto da Rennan Barkana dell'Università di Tel Aviv.

"Se l'idea di Barkana è confermata, "dice Bowman, "poi abbiamo imparato qualcosa di nuovo e fondamentale sulla misteriosa materia oscura che costituisce l'85 percento della materia nell'universo, fornendo il primo assaggio della fisica oltre il modello standard."

I prossimi passi in questa linea di ricerca sono per un altro strumento per confermare il rilevamento di questa squadra e per continuare a migliorare le prestazioni degli strumenti, in modo che si possa imparare di più sulle proprietà delle prime stelle. "Abbiamo lavorato molto duramente negli ultimi due anni per convalidare il rilevamento, "dice Bowman, "ma avere un altro gruppo che lo conferma in modo indipendente è una parte fondamentale del processo scientifico".

Bowman vorrebbe anche vedere un'accelerazione degli sforzi per portare su nuovi radiotelescopi come l'Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) e l'Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA).

"Ora che sappiamo che questo segnale esiste, "dice Bowman, "abbiamo bisogno di portare rapidamente online nuovi radiotelescopi che saranno in grado di estrarre il segnale molto più profondamente".

Le antenne e le parti del ricevitore utilizzate in questo esperimento sono state progettate e costruite da Rogers e dal team del MIT Haystack Observatory. Il team dell'ASU e Monsalve hanno aggiunto al ricevitore il sistema automatizzato di misurazione della riflessione dell'antenna, equipaggiato la cabina di controllo con l'elettronica, costruito il piano terra e condotto il lavoro sul campo per il progetto. L'attuale versione di EDGES è il risultato di anni di iterazione progettuale e di continuo perfezionamento tecnico dettagliato della strumentazione di calibrazione per raggiungere i livelli di precisione necessari per ottenere con successo questa difficile misurazione.