Grazie ai telescopi più avanzati, gli astronomi di oggi possono vedere come apparivano gli oggetti 13 miliardi di anni fa, circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Sfortunatamente, non sono ancora in grado di squarciare il velo dei secoli bui cosmici, un periodo che durò dal 370, Da 000 a 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, dove l'Universo era avvolto da idrogeno neutro che oscurava la luce. A causa di ciò, i nostri telescopi non possono vedere quando si sono formate le prime stelle e galassie - ca. Da 100 a 500 milioni di anni dopo il Big Bang.

Questo periodo è noto come l'Alba Cosmica e rappresenta per gli astronomi l'"ultima frontiera" delle indagini cosmologiche. Questo novembre, Il James Webb Space Telescope (JWST) di prossima generazione della NASA verrà finalmente lanciato nello spazio. Grazie alla sua sensibilità e all'avanzata ottica a infrarossi, Webb sarà il primo osservatorio in grado di assistere alla nascita delle galassie. Secondo un nuovo studio dell'Université de Genève, Svizzera, la capacità di vedere l'Alba Cosmica fornirà risposte ai più grandi misteri cosmologici di oggi.

La ricerca è stata guidata dal Dr. Hamsa Padmanabhan, un fisico teorico e Collaboratrice Scientifique II presso l'Université de Genève. È anche ricercatrice principale del Fondo nazionale svizzero per la scienza (FNS) e beneficiaria dell'Ambizione Grant 2017 (finanziamento della ricerca assegnato dal FNS) per il suo progetto indipendente, intitolato "Sondaggio dell'universo:attraverso la reionizzazione e oltre".

Per gli astronomi e cosmologi di oggi, la capacità di osservare l'Alba Cosmica rappresenta un'opportunità per rispondere ai misteri cosmici più duraturi. Mentre la prima luce nell'Universo è ancora visibile oggi come Cosmic Microwave Background (CMB), quello che seguì poco dopo (e fino a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang) è stato storicamente invisibile ai nostri strumenti più avanzati.

Questo ha tenuto le menti scientifiche all'oscuro (nessun gioco di parole!) su diverse importanti questioni cosmologiche. Non solo le prime stelle e galassie si sono formate durante i "Secoli bui, "portando gradualmente luce all'Universo, fu anche in questo periodo che avvenne la "Reionizzazione Cosmica". Questo periodo di transizione è quando si ritiene che quasi tutto il gas neutro che ha permeato l'Universo si sia trasformato in protoni ed elettroni (alias barioni) che costituiscono tutta la materia "normale".

Sfortunatamente, gli astronomi non sono stati in grado di studiare questo periodo della storia cosmica. Gran parte del problema deriva dal modo in cui la luce di quest'epoca è stata spostata verso il rosso fino al punto in cui è visibile in una parte dello spettro radio inaccessibile agli strumenti moderni (la linea di transizione di 21 cm). Ma come ha spiegato il dottor Padmanabhan a Universe Today via e-mail, questa non è l'unica barriera allo studio dell'Universo primordiale:

"Questo periodo ci è sfuggito finora nelle osservazioni a causa dell'alto livello di sensibilità richiesto per effettuare una rilevazione dell'emissione, combinato con la sfida di rilevare il segnale estremamente debole (che proviene dal gas idrogeno presente nell'Universo primordiale) in presenza di un'emissione in primo piano (principalmente dalla nostra stessa galassia) che è circa 4-5 ordini di grandezza più grande del segnale che noi vuole misurare".

Studiando le prime stelle e galassie in formazione, gli astronomi saranno in grado di vedere da dove proviene il 90% della materia barionica (ovvero "luminosa" o "normale") nell'Universo e come si è evoluta nelle strutture cosmiche su larga scala che vediamo oggi. La capacità di modellare come l'Universo si è evoluto da questo periodo fino ad oggi offre anche l'opportunità di vedere direttamente l'influenza della Materia Oscura e dell'Energia Oscura.

Da questa, gli scienziati valuteranno diversi modelli cosmologici, il più ampiamente accettato è il modello Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Ha detto il dottor Padmanabhan:

"L'accesso a questa epoca rappresenta anche un enorme salto nel nostro contenuto di informazioni cosmologiche. Questo perché contiene almeno 10, 000–100, 000 volte più informazioni di quelle attualmente disponibili da tutte le nostre indagini galattiche finora, così come ciò che otteniamo dalla radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). È essenzialmente il più grande set di dati che potremmo mai sperare di avere per testare i nostri modelli di fisica! Possiamo esplorare una serie di affascinanti modelli fisici oltre il nostro modello standard di cosmologia".

Questi includono modelli che coinvolgono versioni non standard di Dark Matter (cioè, "calda materia oscura"), versioni modificate della gravità, e le teorie dell'inflazione che non coinvolgono l'Energia Oscura - Dinamica Newtoniana Modificata (MOND). Essenzialmente, gli scienziati potranno vedere la gravità e l'espansione cosmica dal momento in cui tutto è iniziato (pochi miliardesimi di secondo dopo il Big Bang). Per anni, la comunità astronomica ha atteso con impazienza il giorno in cui il James Webb sarebbe stato finalmente lanciato nello spazio.

Gran parte della loro eccitazione deriva dal fatto che l'ottica a infrarossi avanzata e l'elevata sensibilità dell'osservatorio gli consentiranno di osservare le prime galassie mentre erano ancora in formazione. ordinariamente, la luce delle galassie sarebbe oscurata da tutta la polvere e i gas interstellari e intergalattici che si trovano tra loro e la Terra. Insieme agli strumenti esistenti e di nuova generazione, dice il dottor Padmanabhan, queste galassie saranno osservabili per la prima volta:

"Missioni come il JWST saranno in grado di rilevare galassie estremamente deboli che si sono formate quando l'Universo era solo un decimo delle sue dimensioni attuali. In combinazione con rilievi radio come lo [Square Kilometer Array] SKA, questo ci fornirà un quadro completo delle prime sorgenti luminose e del loro sviluppo nel tempo cosmico. JWST fornisce profonde, rilievi tipo 'matita' il cui campo visivo totale è dell'ordine di diversi minuti d'arco quadrati, quindi non accederà a scale cosmologiche, ma migliorerà significativamente la nostra comprensione dei processi fisici che hanno contribuito alla reionizzazione".

"L'ALMA ora rileva regolarmente le galassie nella loro emissione di linea submillimetrica, come il carbonio ionizzato singolarmente, [CII] e ossigeno doppiamente ionizzato, [OIII], entrambi sono sondaggi di reionizzazione molto interessanti. Il prossimo esperimento COMAP-Epoch of Reionization, di cui faccio parte, prevede di accedere all'emissione di monossido di carbonio (CO) nelle fasi intermedie e finali della reionizzazione, che è un eccellente tracciante della formazione stellare. I primi piani non sono un problema così serio per le linee submillimetriche".

Questo è noto come approccio multi-messaggero, dove vengono combinati segnali luminosi provenienti da diversi strumenti e a diverse lunghezze d'onda. Quando applicato all'Alba Cosmica, dice il dottor Padmanabhan, questo approccio è lo strumento più promettente per ottenere informazioni sull'Universo. Nello specifico, la rilevazione delle onde gravitazionali dai primi buchi neri supermassicci rivelerà come queste forze primordiali della natura abbiano influenzato l'evoluzione galattica.

"Combinando questo con la conoscenza del modo in cui il gas e le galassie si evolvono che otteniamo dalle indagini elettromagnetiche, questo ci fornirà un quadro completo di Cosmic Dawn, "Sarà fondamentale per rispondere a una domanda in sospeso in cosmologia e astrofisica:come si sono formati i primi buchi neri, e qual è stato il loro contributo alla reionizzazione?"

La possibilità di organizzare campagne multi-messaggero che combinino segnali infrarossi ad alta sensibilità con segnali radio è uno dei tanti modi in cui l'astronomia sta progredendo così rapidamente. Oltre a strumenti più sofisticati, gli astronomi beneficeranno anche di metodi migliorati, tecniche di apprendimento automatico più sofisticate, e opportunità di ricerca collaborativa.

Ultimo, ma non per importanza, la capacità di combinare segnali provenienti da diversi array (ea diverse lunghezze d'onda dell'energia elettromagnetica) ha già creato nuove opportunità per sofisticate campagne di imaging. Un buon esempio di ciò è il progetto Event Horizon Telescope (EHT), che si affida a 10 radiotelescopi in tutto il mondo per raccogliere la luce dagli SMBH (come il nostro Sagittarius A*). Nel 2019, l'EHT ha scattato la prima immagine di una SMBH; in questo caso, quella situata al centro di M87 (la galassia ellittica supergigante Vergine A).

L'opportunità di eseguire ricerche all'avanguardia abbonderà nel prossimo futuro, e le scoperte che faremo saranno a dir poco rivoluzionarie. Anche se ci saranno sicuramente alcuni intoppi lungo la strada e altri misteri da risolvere, una cosa è certa:il futuro dell'astronomia sarà un momento molto eccitante!