Parte del Murchison Widefield Array di notte. Credito:John Goldfield/Celestial Visions
Oggi, le stelle riempiono il cielo notturno. Ma quando l'universo era nella sua infanzia, non conteneva affatto stelle. E un team internazionale di scienziati è più vicino che mai a rilevare, misurare e studiare un segnale di quest'era che ha viaggiato attraverso il cosmo da quando quell'era senza stelle è terminata circa 13 miliardi di anni fa.
Quel team, guidato da ricercatori dell'Università di Washington, l'Università di Melbourne, Curtin University e Brown University, segnalati lo scorso anno nel Giornale Astrofisico che aveva ottenuto un miglioramento di quasi 10 volte dei dati sulle emissioni radio raccolti dal Murchison Widefield Array. I membri del team stanno attualmente esaminando i dati di questo radiotelescopio nella remota Australia occidentale alla ricerca di un segnale rivelatore da questa "età oscura" poco conosciuta del nostro universo.
Conoscere questo periodo aiuterà ad affrontare le principali domande sull'universo di oggi.
"Pensiamo che le proprietà dell'universo durante quest'era abbiano avuto un effetto importante sulla formazione delle prime stelle e abbiano messo in moto le caratteristiche strutturali dell'universo odierno, " ha detto il membro del team Miguel Morales, un professore di fisica UW. "Il modo in cui la materia era distribuita nell'universo durante quell'era probabilmente ha modellato il modo in cui le galassie e gli ammassi galattici sono distribuiti oggi".
Prima di questa età oscura, l'universo era caldo e denso. Elettroni e fotoni si intrappolavano regolarmente l'un l'altro, rendere opaco l'universo. Ma quando l'universo aveva meno di un milione di anni, le interazioni elettrone-fotone sono diventate rare. L'universo in espansione divenne sempre più trasparente e oscuro, iniziando la sua età oscura.
Studenti e ricercatori della Brown University, La Curtin University e l'UW costruiscono nuove antenne per il Murchison Widefield Array. All'estrema destra c'è Nichole Barry, un dottorato di ricerca UW e attuale ricercatore post-dottorato presso l'Università di Melbourne. Di fronte a lei c'è la studentessa di dottorato in fisica della UW Ruby Byrne. Credito:MWA Collaboration/Curtin University
L'era senza stelle durò centinaia di milioni di anni durante i quali l'idrogeno neutro, atomi di idrogeno senza carica complessiva, dominava il cosmo.
"Per questa età oscura, ovviamente non c'è nessun segnale basato sulla luce che possiamo studiare per impararlo:non c'era luce visibile!" ha detto Morales. "Ma c'è un segnale specifico che possiamo cercare. Viene da tutto quell'idrogeno neutro. Non abbiamo mai misurato questo segnale, ma sappiamo che è là fuori. Ed è difficile da rilevare perché nei 13 miliardi di anni da quando è stato emanato quel segnale, il nostro universo è diventato un luogo molto affollato, pieno di altre attività da stelle, galassie e persino la nostra tecnologia che soffocano il segnale dell'idrogeno neutro".
Il segnale di 13 miliardi di anni che Morales e il suo team stanno cercando è un'emissione radio elettromagnetica che l'idrogeno neutro ha emanato a una lunghezza d'onda di 21 centimetri. L'universo si è espanso da quel momento, allungando il segnale fino a quasi 2 metri.
Quel segnale dovrebbe contenere informazioni sull'età oscura e sugli eventi che l'hanno conclusa, ha detto Morales.
Quando l'universo aveva solo 1 miliardo di anni, gli atomi di idrogeno cominciarono ad aggregarsi e a formare le prime stelle, ponendo fine all'età oscura. La luce di quelle prime stelle ha dato il via a una nuova era, l'Epoca della Reionizzazione, in cui l'energia di quelle stelle ha convertito gran parte dell'idrogeno neutro in un plasma ionizzato. Quel plasma domina lo spazio interstellare fino ad oggi.
Canguri al Murchison Widefield Array. Credito:MWA Collaboration/Curtin University
"L'Epoca della Reionizzazione e l'era oscura che la precede sono periodi critici per comprendere le caratteristiche del nostro universo, ad esempio perché abbiamo alcune regioni piene di galassie e altre relativamente vuote, la distribuzione della materia e potenzialmente anche della materia oscura e dell'energia oscura, ", ha detto Morales.
Il Murchison Array è lo strumento principale del team. Questo radiotelescopio è composto da 4, 096 antenne a dipolo, che può captare segnali a bassa frequenza come la firma elettromagnetica dell'idrogeno neutro.
Ma questi tipi di segnali a bassa frequenza sono difficili da rilevare a causa del "rumore" elettromagnetico proveniente da altre fonti che rimbalzano nel cosmo, comprese le galassie, stelle e attività umana. Morales e i suoi colleghi hanno sviluppato metodi sempre più sofisticati per filtrare questo rumore e avvicinarli a quel segnale. Nel 2019, i ricercatori hanno annunciato di aver filtrato le interferenze elettromagnetiche, incluse le nostre trasmissioni radiofoniche, da più di 21 ore di dati Murchison Array.
Andando avanti, la squadra ha circa 3, 000 ore di dati aggiuntivi sulle emissioni raccolti dal radiotelescopio. I ricercatori stanno cercando di filtrare le interferenze e avvicinarsi ancora di più a quel segnale sfuggente dell'idrogeno neutro e all'età oscura che può illuminare.
