Rappresentazione schematica della visione della storia cosmica fornita dalla luce brillante di quasar lontani. Osservare con un telescopio (in basso a sinistra) ci permette di ottenere informazioni sulla cosiddetta epoca di reionizzazione ("bolle" in alto a destra) che seguì la fase del Big Bang (in alto a destra). Credito:Carnegie Institution for Science / MPIA (annotazioni)
Un gruppo di astronomi guidato da Sarah Bosman del Max Planck Institute for Astronomy ha cronometrato la fine dell'epoca di reionizzazione dell'idrogeno gassoso neutro a circa 1,1 miliardi di anni dopo il Big Bang. La reionizzazione iniziò quando la prima generazione di stelle si formò dopo i "secoli bui" cosmici, un lungo periodo in cui il solo gas neutro riempiva l'universo senza alcuna fonte di luce. Il nuovo risultato risolve un dibattito durato due decenni e segue dalle firme di radiazione di 67 quasar con impronte dell'idrogeno gassoso che la luce ha attraversato prima di raggiungere la Terra. Individuare la fine di questa "alba cosmica" aiuterà a identificare le sorgenti ionizzanti:le prime stelle e le galassie.
L'universo ha attraversato diverse fasi dal suo inizio allo stato attuale. Durante i primi 380.000 anni dopo il Big Bang era un plasma ionizzato caldo e denso. Dopo questo periodo, si è raffreddato abbastanza perché i protoni e gli elettroni che riempivano l'universo si combinassero in atomi di idrogeno neutri. Per la maggior parte durante questi "secoli bui", l'universo non aveva fonti di luce visibile. Con l'avvento delle prime stelle e galassie, circa 100 milioni di anni dopo, quel gas è stato gradualmente ionizzato di nuovo dalla radiazione ultravioletta (UV) delle stelle. Questo processo separa gli elettroni dai protoni, lasciandoli come particelle libere. Questa era è comunemente conosciuta come "l'alba cosmica". Oggi tutto l'idrogeno diffuso tra le galassie, il gas intergalattico, è completamente ionizzato. Tuttavia, quando ciò è accaduto è un argomento molto discusso tra gli scienziati e un campo di ricerca altamente competitivo.
Una fine tarda dell'alba cosmica
Un team internazionale di astronomi guidato da Sarah Bosman del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, ha ora cronometrato con precisione la fine dell'epoca della reionizzazione a 1,1 miliardi di anni dopo il Big Bang. "Sono affascinata dall'idea delle diverse fasi che l'universo ha attraversato portando alla formazione del Sole e della Terra. È un grande privilegio contribuire con un nuovo piccolo tassello alla nostra conoscenza della storia cosmica", afferma Sarah Bosman. È l'autrice principale dell'articolo di ricerca che appare negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society oggi.
Frederick Davies, anche lui astronomo MPIA e coautore dell'articolo, commenta:"Fino a pochi anni fa, l'opinione prevalente era che la reionizzazione fosse completata quasi 200 milioni di anni prima. Qui ora abbiamo le prove più evidenti che il processo sia terminato molto più tardi, durante un'epoca cosmica più facilmente osservabile dalle strutture di osservazione dell'attuale generazione". Questa correzione temporale può apparire marginale considerando i miliardi di anni trascorsi dal Big Bang. Tuttavia, alcune centinaia di milioni di anni in più furono sufficienti per produrre diverse dozzine di generazioni stellari nella prima evoluzione cosmica. La tempistica dell'era dell'"alba cosmica" vincola la natura e la durata delle sorgenti ionizzanti presenti durante i centinaia di milioni di anni in cui è durata.
Questo approccio indiretto è attualmente l'unico modo per caratterizzare gli oggetti che hanno guidato il processo di reionizzazione. Osservare direttamente quelle prime stelle e galassie va oltre le capacità dei telescopi contemporanei. Sono semplicemente troppo deboli per ottenere dati utili in un ragionevole lasso di tempo. Anche le strutture di nuova generazione come l'Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO o il James Webb Space Telescope potrebbero avere difficoltà con un compito del genere.
Quasar come sonde cosmiche
Per indagare quando l'universo è stato completamente ionizzato, gli scienziati applicano metodi diversi. Uno è misurare l'emissione di idrogeno gassoso neutro sulla famosa linea spettrale di 21 centimetri. Invece, Sarah Bosman e i suoi colleghi hanno analizzato la luce ricevuta da forti fonti di fondo. Hanno impiegato 67 quasar, i dischi luminosi di gas caldo che circondano i massicci buchi neri centrali in galassie attive distanti. Osservando uno spettro di quasar, che visualizza la sua intensità disposta attraverso le lunghezze d'onda osservate, gli astronomi trovano schemi in cui la luce sembra mancare. Questo è ciò che gli scienziati chiamano linee di assorbimento. L'idrogeno gassoso neutro assorbe questa porzione di luce lungo il suo viaggio dalla sorgente al telescopio. Gli spettri di quei 67 quasar sono di una qualità senza precedenti, che è stata fondamentale per il successo di questo studio.
Dalla Terra, guardiamo sempre al passato del cosmo. La luce dei quasar lontani dell'universo primordiale è passata attraverso il gas già parzialmente ionizzato dell'epoca della reionizzazione, disposto attorno alle prime galassie. L'idrogeno gassoso neutro tra le galassie produce le firme di assorbimento. A causa dell'espansione dell'universo, le linee di assorbimento appaiono spostate verso il rosso in modo diverso dalla gamma UV. Crediti:reparto grafico MPIA
Il metodo prevede l'osservazione di una linea spettrale equivalente a una lunghezza d'onda di 121,6 nanometri. Questa lunghezza d'onda appartiene alla gamma UV ed è la linea spettrale dell'idrogeno più forte. Tuttavia, l'espansione cosmica sposta lo spettro del quasar a lunghezze d'onda più lunghe quanto più la luce viaggia. Pertanto, lo spostamento verso il rosso della linea di assorbimento UV osservata può essere tradotto nella distanza dalla Terra. In questo studio, l'effetto aveva spostato la linea UV nella gamma dell'infrarosso mentre raggiungeva il telescopio.
A seconda della frazione tra idrogeno gassoso neutro e ionizzato, il grado di assorbimento o, inversamente, la trasmissione attraverso una tale nuvola, raggiunge un valore particolare. Quando la luce incontra una regione con un'elevata frazione di gas ionizzato, non può assorbire la radiazione UV in modo efficiente. Questa proprietà è ciò che il team stava cercando.
La luce del quasar attraversa molte nubi di idrogeno a diverse distanze lungo il suo percorso, ognuna delle quali lascia la sua impronta a piccoli spostamenti verso il rosso dalla gamma UV. In teoria, l'analisi del cambiamento nella trasmissione per linea spostata verso il rosso dovrebbe fornire il tempo o la distanza alla quale l'idrogeno gassoso è stato completamente ionizzato
I modelli aiutano a districare le influenze concorrenti
Sfortunatamente, le circostanze sono ancora più complicate. Dalla fine della reionizzazione, solo lo spazio intergalattico è completamente ionizzato. Esiste una rete di materia parzialmente neutra che collega galassie e ammassi di galassie, chiamata "rete cosmica". Laddove l'idrogeno gassoso è neutro, lascia il segno anche nella luce del quasar.
Per districare queste influenze, il team ha applicato un modello fisico che riproduce le variazioni misurate in un'epoca molto successiva, quando il gas intergalattico era già completamente ionizzato. Quando hanno confrontato il modello con i loro risultati, hanno scoperto una deviazione a una lunghezza d'onda in cui la linea di 121,6 nanometri è stata spostata di un fattore di 5,3 volte corrispondente a un'età cosmica di 1,1 miliardi di anni. Questa transizione indica il momento in cui i cambiamenti nella luce del quasar misurata diventano incoerenti con le fluttuazioni della sola rete cosmica. Pertanto, quello è stato l'ultimo periodo in cui l'idrogeno neutro deve essere stato presente nello spazio intergalattico e successivamente è diventato ionizzato. Era la fine dell'"alba cosmica".
Il futuro è luminoso
"Questo nuovo set di dati fornisce un punto di riferimento cruciale rispetto al quale le simulazioni numeriche del primo miliardo di anni dell'universo saranno testate negli anni a venire", afferma Frederick Davies. Aiuteranno a caratterizzare le sorgenti ionizzanti, le primissime generazioni di stelle.
"La direzione futura più entusiasmante per il nostro lavoro è espanderlo a tempi ancora precedenti, verso il punto medio del processo di reionizzazione", sottolinea Sarah Bosman. "Purtroppo, distanze maggiori significano che quei quasar precedenti sono significativamente più deboli. Pertanto, l'area di raccolta ampliata dei telescopi di prossima generazione come l'ELT sarà cruciale". + Esplora ulteriormente
