I ricercatori, guidati dall’Università di Cambridge, hanno sviluppato una metodologia che consentirà loro di osservare e studiare le prime stelle attraverso le nubi di idrogeno che riempirono l’Universo circa 378.000 anni dopo il Big Bang. Osservare la nascita delle prime stelle e galassie è stato un obiettivo degli astronomi per decenni, poiché aiuterà a spiegare come l’Universo si sia evoluto dal vuoto dopo il Big Bang al complesso regno degli oggetti celesti che osserviamo oggi, 13,8 miliardi di anni dopo.
Lo Square Kilometer Array (SKA), un telescopio di nuova generazione che dovrebbe essere completato entro la fine del decennio, sarà probabilmente in grado di realizzare immagini della prima luce nell’Universo, ma per i telescopi attuali la sfida è rilevare il segnale cosmologico delle stelle attraverso le dense nubi di idrogeno. Il segnale che gli astronomi mirano a rilevare dovrebbe essere circa centomila volte più debole di altri segnali radio provenienti anche dal cielo, ad esempio segnali radio provenienti dalla nostra galassia.
L’uso di un radiotelescopio stesso introduce distorsioni nel segnale ricevuto, che possono oscurare completamente il segnale cosmologico. Questa è considerata una sfida osservativa estrema nella moderna radio cosmologia. Tali distorsioni legate agli strumenti sono comunemente accusate come il principale collo di bottiglia in questo tipo di osservazione.
Ora il team guidato da Cambridge ha sviluppato una metodologia per vedere attraverso le nuvole primordiali e altri segnali di rumore del cielo, evitando l’effetto dannoso delle distorsioni introdotte dal radiotelescopio. La loro metodologia, parte dell’esperimento REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), consentirà agli astronomi di osservare le prime stelle attraverso la loro interazione con le nubi di idrogeno, allo stesso modo in cui dedurremmo un paesaggio osservando le ombre nella nebbia.
Il loro metodo migliorerà la qualità e l’affidabilità delle osservazioni dai radiotelescopi esplorando questo momento chiave inesplorato nello sviluppo dell’Universo. Le prime osservazioni da REACH sono attese entro la fine dell’anno.
I risultati sono riportati oggi sulla rivista Nature Astronomy .
“Al momento in cui si sono formate le prime stelle, l’Universo era per lo più vuoto e composto principalmente da idrogeno ed elio”, ha affermato il dottor Eloy de Lera Acedo del Cavendish Laboratory di Cambridge, autore principale dell’articolo.
Ha aggiunto: “A causa della gravità, gli elementi alla fine si sono uniti e le condizioni erano giuste per la fusione nucleare, che è ciò che ha formato le prime stelle. Ma erano circondate da nubi di cosiddetto idrogeno neutro, che assorbono la luce molto bene, quindi è difficile rilevare o osservare direttamente la luce dietro le nuvole”.
Nel 2018, un altro gruppo di ricerca (che ha condotto l'”Esperimento per rilevare l’epoca globale della firma di reionizzazione” – o EDGES) ha pubblicato un risultato che alludeva a un possibile rilevamento di questa prima luce, ma gli astronomi non sono stati in grado di ripetere il risultato — portandoli a credere che il risultato originale potesse essere dovuto all’interferenza del telescopio utilizzato.
“Il risultato originale richiederebbe una nuova fisica per spiegarlo, a causa della temperatura dell’idrogeno gassoso, che dovrebbe essere molto più fredda di quanto consentirebbe la nostra attuale comprensione dell’Universo. In alternativa, una temperatura più alta inspiegabile della radiazione di fondo, tipicamente ipotizzata essere il noto Fondo cosmico a microonde, potrebbe essere la causa”, ha affermato de Lera Acedo. Ha aggiunto: “Se possiamo confermare che il segnale trovato in quell’esperimento precedente proveniva davvero dalle prime stelle, le implicazioni sarebbero enormi”.
Per studiare questo periodo nello sviluppo dell’Universo, spesso indicato come l’Alba Cosmica, gli astronomi studiano la linea di 21 centimetri, una firma di radiazione elettromagnetica dall’idrogeno nell’Universo primordiale. Cercano un segnale radio che misuri il contrasto tra la radiazione dell’idrogeno e la radiazione dietro la nebbia di idrogeno.
La metodologia sviluppata da de Lera Acedo e dai suoi colleghi utilizza la statistica bayesiana per rilevare un segnale cosmologico in presenza di interferenza dal telescopio e rumore generale dal cielo, in modo che i segnali possano essere separati. Per fare ciò, sono state necessarie tecniche e tecnologie all’avanguardia in diversi campi. I ricercatori hanno utilizzato simulazioni per simulare un’osservazione reale utilizzando più antenne, il che migliora l’affidabilità dei dati: le osservazioni precedenti si basavano su una singola antenna.
“Il nostro metodo analizza congiuntamente i dati provenienti da più antenne e su una banda di frequenza più ampia rispetto agli strumenti attuali equivalenti. Questo approccio ci fornirà le informazioni necessarie per la nostra analisi dei dati bayesiana”, ha affermato de Lera Acedo. Ha aggiunto: “In sostanza, ci siamo dimenticati delle strategie di progettazione tradizionali e invece ci siamo concentrati sulla progettazione di un telescopio adatto al modo in cui pianifichiamo di analizzare i dati, qualcosa come un progetto inverso. Questo potrebbe aiutarci a misurare le cose dall’Alba Cosmica e in l’epoca della reionizzazione, quando l’idrogeno nell’Universo fu reionizzato.”
La costruzione del telescopio è attualmente in fase di completamento presso la riserva radiofonica di Karoo in Sud Africa, una località scelta per le sue eccellenti condizioni per le osservazioni radio del cielo. È lontano dalle interferenze di radiofrequenza create dall’uomo, ad esempio segnali televisivi e radio FM.
Il team REACH di oltre 30 ricercatori è multidisciplinare e distribuito in tutto il mondo, con esperti in campi come la cosmologia teorica e osservativa, la progettazione di antenne, la strumentazione a radiofrequenza, la modellazione numerica, l’elaborazione digitale, i big data e la statistica bayesiana. REACH è co-diretto dall’Università di Stellenbosch in Sud Africa.
Il professor de Villiers, co-responsabile del progetto presso l’Università di Stellenbosch in Sud Africa, ha dichiarato: “Sebbene la tecnologia dell’antenna utilizzata per questo strumento sia piuttosto semplice, l’ambiente di impiego difficile e remoto e le rigide tolleranze richieste nella produzione, rendono questo un progetto molto impegnativo su cui lavorare”. Ha aggiunto: “Siamo estremamente entusiasti di vedere come funzionerà il sistema e abbiamo piena fiducia che faremo quel rilevamento sfuggente”.
Il Big Bang e i primi tempi dell’Universo sono epoche ben comprese, grazie agli studi sulla radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). Ancora meglio compresa è l’evoluzione tardiva e diffusa delle stelle e di altri oggetti celesti. Ma il momento della formazione della prima luce nel Cosmo è un tassello fondamentale mancante nel puzzle della storia dell’Universo.
