Secondo le teorie cosmologiche più accreditate, le prime stelle dell'Universo si sono formate poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Sfortunatamente, gli astronomi non sono stati in grado di 'vederli' poiché la loro comparsa ha coinciso durante il periodo cosmologico noto come 'Secolo Oscuro'. Durante questo periodo, terminato circa 13 miliardi di anni fa, nuvole di gas hanno riempito l'Universo oscurando la luce visibile e infrarossa.
Tuttavia, gli astronomi hanno appreso che la luce di quest'era può essere rilevata come deboli segnali radio. È per questo motivo che i radiotelescopi come il Murchison Widefield Array (MWA) sono stati costruiti. Utilizzando i dati ottenuti da questo array l'anno scorso , un team internazionale di ricercatori sta esaminando i dati radio più precisi fino ad oggi dall'Universo primordiale nel tentativo di vedere esattamente quando è finito il 'Secolo Oscuro' cosmico.
Come hanno indicato nel loro studio, apparso in Il Giornale Astrofisico l'anno scorso, il team era riuscito a filtrare dieci volte più interferenze elettromagnetiche (rispetto alla norma) da più di 21 ore di dati raccolti dal MWA. Dotato di questi dati notevolmente migliorati, il team sta ora cercando in tutto questo gli indicatori rivelatori di un segnale radio che ha avuto origine dai 'Secoli bui'.
La linea temporale del Big Bang dell'Universo, che mostra quando e in quali lunghezze d'onda le cose sono diventate visibili. Credito: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
Gli attuali modelli di cosmologia ci dicono che poco dopo il Big Bang, l'Universo era pieno di plasma caldo e denso. Elettroni e fotoni si intrappolavano regolarmente l'un l'altro in questo periodo, il che rendeva l'Universo opaco. Meno di un milione di anni dopo, le interazioni elettrone-fotone divennero rare e l'Universo in espansione divenne sempre più trasparente. Tuttavia, non c'erano ancora stelle o galassie in questo momento, il che ha lasciato l'Universo buio.
Così rimarrebbero le cose per le prossime centinaia di milioni di anni, dove il cosmo è stato riempito di idrogeno neutro (atomi di idrogeno con un protone e un elettrone, che non hanno carica complessiva). Circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, gli atomi di idrogeno neutri iniziarono a riunirsi per formare le prime stelle, iniziando così l'Epoca della Reionizzazione e ponendo fine ai 'Secoli bui'.
Quando si formarono le prime stelle, la luce e le radiazioni emesse convertirono gran parte dell'idrogeno neutro nell'Universo in plasma ionizzato, che ancora oggi domina lo spazio interstellare. Sfortunatamente, discernere quando si è verificata questa transizione è difficile poiché le radiazioni elettromagnetiche nelle lunghezze d'onda del visibile e dell'infrarosso (calore) semplicemente non sono visibili per quanto riguarda gli strumenti esistenti.
Studenti e ricercatori della Brown University, della Curtin University e dell'UW costruiscono nuove antenne per il Murchison Widefield Array. Credito: MWA Collaboration/Curtin University
Come Immagine segnaposto Miguel Morales , un professore di fisica della UW e l'autore principale dell'articolo, ha spiegato in a IL TUO Comunicato stampa :
'Per questa era oscura, ovviamente non c'è nessun segnale basato sulla luce che possiamo studiare per impararlo - non c'era luce visibile! 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 trafficato, pieno di altre attività di stelle, galassie e persino della nostra tecnologia che soffocano il segnale dell'idrogeno neutro».
Questo segnale corrisponde alla frequenza e alla lunghezza d'onda alla quale l'idrogeno passa dall'essere neutro al portare una carica. Conosciuto anche come 'linea dell'idrogeno', questo confine si trova a 21 cm (1.420,4 MHz) sullo spettro radio. Trovare questi segnali nello spazio è la chiave per determinare quando si sono formate le prime stelle e quando è finito il Medioevo, fornendo così agli astronomi indizi vitali sull'evoluzione cosmica.
'L'Epoca della Reionizzazione e l'era oscura che la precede sono periodi critici per comprendere le caratteristiche del nostro universo, come il motivo per cui abbiamo alcune regioni piene di galassie e altre relativamente vuote, la distribuzione della materia e potenzialmente anche la materia oscura e l'energia oscura', Morales ha aggiunto.
Canguri al Murchison Widefield Array. Credito: MWA Collaboration/Curtin University
Il Murchison Widefield Array, un radiotelescopio situato nell'Australia occidentale, è anche il principale del team nella ricerca di questi segnali. Questo array è composto da 4.096 antenne a dipolo in grado di captare segnali a bassa frequenza come la firma elettromagnetica dell'idrogeno neutro. Questi segnali sono molto difficili da distinguere a causa dell'interferenza elettromagnetica proveniente da altre sorgenti cosmiche (o legate alla Terra).
Per eliminare questo rumore di fondo e migliorare le probabilità di rilevamento, Morales ei suoi colleghi hanno sviluppato metodi sempre più sofisticati. Ciò include l'introduzione di un sottoarray ridondante di nuclei esagonali e linee di base pseudo-casuali, nonché tecniche di analisi migliorate, metodi di controllo della qualità dei dati e approcci di calibrazione interferometrica.
Tutte queste informazioni erano presenti nello studio del team del 2019, basato sulla tesi di dottorato del membro del team e coautore Nichole Barry – attualmente ricercatore post-dottorato presso l'Università di Melbourne. Guardando al futuro, il team prevede di esaminare circa 3.000 ore di dati aggiuntivi sulle emissioni raccolti dall'MWA e sperare di filtrare ancora più rumore in modo da poter individuare quel segnale sfuggente.
Parte del Murchison Widefield Array di notte. Credito: John Goldfield/Celestial Visions
Se avranno successo, gli astronomi avranno finalmente una finestra sul primo periodo dell'Universo. Insieme agli array di radiotelescopi in tutto il mondo, che stanno diventando sempre più sofisticati, ciò consentirà ad astronomi e cosmologi di testare le loro teorie su come e quando si sono verificati i principali eventi nell'evoluzione del nostro Universo. Disse morale:
“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. 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”.
Il team comprendeva ricercatori del ASTRO 3D collaborazione, il Centro internazionale per la ricerca sulla radioastronomia (ICRAR), il Istituto olandese di radioastronomia (ASTRON), il CSIRO Astronomia e Scienze Spaziali (CASS), MIT, il Osservatorio Astronomico di Shanghai , il Scuola di esplorazione della Terra e dello spazio , Arizona State University, Kumamoto University in Giappone e Raman University in India.
Ulteriori letture: Vostre notizie , Il Giornale Astrofisico