La nostra attuale comprensione della fisica suggerisce che ci sono due tipi principali di materia nell'universo conosciuti come materia oscura e barionica. La materia oscura è costituita da materiale che gli scienziati non possono osservare direttamente, in quanto non emette luce o energia. D'altra parte, la materia barionica è costituita da normale materia atomica, compresi i protoni, neutroni ed elettroni.

In contrasto con la materia oscura, la materia barionica può interagire con i fotoni, dando origine alle cosiddette oscillazioni acustiche bariniche (BAO), che sono essenzialmente fluttuazioni di densità causate dalle onde acustiche. Durante la produzione di BAO, le stesse interazioni generano anche velocità relative supersoniche tra materia oscura e barioni.

È noto che queste velocità generate impediscono la formazione delle prime stelle all'alba cosmica, l'era dopo il Big Bang quando le prime stelle e galassie irruppero nell'esistenza, modulando il segnale atteso da questa specifica epoca. In un affascinante studio in due parti, un ricercatore dell'Università di Harvard ha recentemente dimostrato che questa modulazione del segnale assume la forma di robuste oscillazioni acustiche indotte dalla velocità (VAO), che a sua volta potrebbe fornire preziose informazioni sull'era dell'alba cosmica.

"L'idea che la materia oscura e i barioni abbiano una grande velocità relativa esiste dal 2010, "Julian B. Munoz, il ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Infatti, quello stesso anno, altri ricercatori si sono resi conto che questa velocità relativa avrebbe avuto un grande impatto sulla formazione delle prime stelle. Anche se non possiamo vedere direttamente queste stelle, perché sono molto lontani e bui, possono essere rilevati indirettamente utilizzando la riga dell'idrogeno di 21 cm."

Quando Muñoz iniziò a lavorare al suo progetto, inizialmente voleva implementare gli effetti della velocità relativa utilizzando un codice di simulazione pubblico noto come 21cmFAST, che è lo strumento standard utilizzato dai cosmologi per comprendere il segnale cosmico di 21 cm. Ha poi presentato i risultati di queste simulazioni in un articolo pubblicato su Revisione fisica D .

"Mentre conducevo le mie simulazioni, Mi sono reso conto che l'aggiunta delle velocità produce robuste oscillazioni acustiche indotte dalla velocità (VAO) nel segnale di 21 cm, che hanno la stessa origine delle oscillazioni acustiche bariniche (BAO) a cui siamo abituati, ma sono prodotti da velocità relative, e non sovra/sotto densità, " ha detto Muñoz. "Questi VAO imprimeranno la scala barionica acustica di 150 Mpc sulle mappe di 21 cm, che può quindi essere utilizzato come un righello standard."

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , Muñoz ha quindi introdotto l'idea che i VAO derivanti in ultima analisi dall'accoppiamento di materia barionica e fotoni determinano l'oscillazione spaziale del segnale di 21 cm (tipicamente utilizzato per rilevare le stelle), con un periodo noto di 150 Mpc (circa 450 milioni di anni luce). Quindi suggerisce che, poiché sono note la forma e le caratteristiche di queste oscillazioni, possono essere usati come un righello standard per misurare la dimensione dell'universo durante l'alba cosmica (cioè, un quarto di miliardo di anni dopo il Big Bang).

L'idea introdotta da Muñoz è a dir poco affascinante, poiché gli astrofisici attualmente non hanno altro modo di accedere a questa specifica era cosmica. In altre parole, questa misura o "righello standard" sarebbe la prima del suo genere, aprendo nuove entusiasmanti possibilità per studi relativi al segnale di 21 cm, come il progetto HERA (Herogen Epoche of Reionization Array).

Il progetto HERA è una collaborazione tra astrofisici e ricercatori degli Stati Uniti, Le istituzioni sudafricane e britanniche miravano a costruire un telescopio in grado di rilevare in modo affidabile la firma dello spettro di potenza dell'idrogeno spostata verso il rosso dell'epoca della reionizzazione (EOR). Un ulteriore obiettivo di questo progetto sarà la raccolta di dati che potrebbero ampliare l'attuale comprensione dell'era dell'alba cosmica.

"Uno degli obiettivi del mio progetto era quello di includere le velocità relative sul codice pubblico di 21 cm 21 cm FAST, poiché cambiano tutte le previsioni durante l'alba cosmica, "Ha detto Muñoz. "Questo è necessario per capire il segnale di 21 cm che si spera venga rilevato nei prossimi anni, ad esempio, dalla collaborazione HERA."

Come Muñoz continua a spiegare, la modulazione indotta dai VAO è di per sé un fenomeno interessante, come la fisica acustica dei barioni si imprime sulla distribuzione delle prime stelle e quindi su mappe di 21 cm. Proprio perché la fisica acustica dei barioni è nota, queste velocità potrebbero fornire un robusto righello standard durante l'alba cosmica.

"Misurare le dimensioni dell'universo durante l'alba cosmica sarebbe eccitante, poiché questa era è a metà strada tra il fondo cosmico a microonde (CMB) e l'universo locale, che sono in disaccordo sulle misurazioni delle dimensioni dell'universo (la famosa tensione H0 tra supernovae e dati CMB), " disse Munoz.

La collaborazione HERA inizierà presto a raccogliere dati relativi al segnale di potenza di 21 cm emesso all'alba cosmica. Una volta che questi dati saranno disponibili, potrebbe essere usato per misurare il tasso di espansione dell'universo durante l'alba cosmica, un'epoca che finora è rimasta un mistero a causa della mancanza di strumenti per indagarla. Quando questo accade, le idee introdotte da Muñoz potrebbero rivelarsi estremamente preziose, in quanto evidenziano il possibile utilizzo di VAO come righello standard durante quest'epoca precedentemente non sondata.

Mentre la teoria introdotta in questo progetto potrebbe essere di grande valore, alcuni aspetti dei VAO sono ancora poco compresi. Nel suo lavoro futuro, Muñoz prevede di continuare a indagare sui VAO, ad esempio cercando di capire meglio come modulano il feedback sulla prima formazione stellare, che al momento non è chiaro.

"Intendo anche perfezionare le previsioni includendo modelli di primo piano e di rumore più complessi, che imitano quelli dello strumento HERA, poiché è molto probabile che HERA osservi questi VAO nel prossimo decennio, " disse Munoz.

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