Sondare l'alba cosmica
A colpo d'occhio
- Le prime stelle e galassie sono difficili da studiare perché sono eccezionalmente deboli
- L'idrogeno, l'elemento più abbondante nell'Universo, è l'indizio che gli astronomi usano per sbloccare quando le prime galassie hanno iniziato a brillare
- Il telescopio SKA-Low è stato specificamente progettato per aiutare a datare quando le emissioni di idrogeno sono cambiate da elettricamente neutre a ionizzate dai fotoni di luce
Una delle ultime frontiere della cosmologia è esplorare il tempo dopo il Big Bang quando le prime stelle e galassie hanno iniziato a illuminare l'oscurità. I telescopi SKA saranno i radiotelescopi più sensibili disponibili per studiare questi periodi, noti come l'alba cosmica e l'epoca della reionizzazione.
Rivelare le condizioni che esistevano quando l'Universo aveva solo poche centinaia di milioni di anni si è rivelato difficile. Il segnale emesso dai primi oggetti celesti, risalenti a oltre 13 miliardi di anni fa, è davvero eccezionalmente debole. Gran parte di questa luce viene assorbita anche dal gas intermedio mentre viaggia verso di noi.
Le indagini effettuate da grandi telescopi ottici e infrarossi hanno mostrato che le galassie dell'Universo primordiale possono essere diverse da qualsiasi cosa possiamo osservare da vicino. Uno dei motivi è che le prime stelle probabilmente si sono formate da materiale incontaminato: principalmente idrogeno, un po' di elio e alcuni elementi più pesanti. Le proprietà delle stelle che si sono formate dal gas arricchito dalle esplosioni di supernova di una vecchia generazione di stelle sembrano molto diverse.
Allora come fanno i radioastronomi a studiare il primo Universo?
La chiave per mappare ciò che è successo risiede nell'elemento più abbondante dell'Universo: l'idrogeno. In effetti, il concetto SKA è nato dal desiderio di rispondere a una semplice domanda: come possiamo colmare le lacune nella nostra comprensione dell'Universo leggendo la sua storia come scritta nel linguaggio dell'idrogeno?
Durante il periodo immediatamente successivo al Big Bang chiamato Medioevo, l'idrogeno era distribuito in modo abbastanza uniforme ed elettricamente neutro. Ogni tanto, l'elettrone solitario dell'atomo di idrogeno fa una transizione «spin-flip» che produce emissioni radio che i radioastronomi possono rilevare.
In teoria, gli astronomi dovrebbero essere in grado di osservare la debole radiazione dell'idrogeno neutro a una lunghezza d'onda di 1420 MHz, o 21 cm. A causa dell'espansione dell'Universo, la lunghezza d'onda della radiazione emessa è allungata (questo fenomeno è chiamato redshift), il che significa che per gli osservatori sulla Terra, dobbiamo guardare a frequenze molto più basse per essere in grado di rilevare tale radiazione. In pratica, il segnale è molto debole e difficile da rilevare attraverso la ionosfera terrestre. Per misurare questo segnale è necessario un telescopio a bassa frequenza con un'ampia area di raccolta e una comprensione interna delle proprietà dello strumento.
Alla ricerca della prima luce
Nel tentativo di rilevare un segnale proveniente da Cosmic Dawn, l'esperimento EDGES, finanziato dagli Stati Uniti, ha installato un'antenna nel sito del telescopio SKA-Low nell'Australia occidentale. Il suo ricevitore sembra ingannevolmente semplice, simile a un tavolo da ping pong in metallo.
Nel 2018, il team ha annunciato la possibile rilevazione dell'idrogeno a partire da 180 milioni di anni dopo il Big Bang. Confermare il segnale non è un compito facile. Parte della sfida è districarlo da tutto ciò che il telescopio può vedere.
All'inizio del 2022, un altro team che lavora con un ricevitore che opera su un lago profondo in India ha cercato di replicare il risultato (senza successo). Teorizzano che il segnale EDGES possa essere dovuto a interferenze dello strumento.
Entrambi i team hanno in programma nuovi strumenti per gli studi di follow-up, e così la caccia continua, prima che il telescopio SKA-Low sia online.
Un altro metodo: datazione della reionizzazione dell"idrogeno
Mentre i radioastronomi continuano a inseguire una rilevazione diretta dell'idrogeno neutro, usano anche un altro metodo per studiare l'Alba Cosmica. Ciò comporta l'osservazione diretta della luminosità della luce proveniente dalle prime stelle e galassie. In questo modo diranno loro quanti fotoni hanno viaggiato nelle sacche di gas circostanti, ionizzando l'idrogeno.
Reionizzazione etichettata, questo importante evento interrompe efficacemente le emissioni di idrogeno neutro. Lo studio completo dell'impronta di questo processo può consentire agli astronomi di datare con maggiore precisione il passaggio dall'alba cosmica all'epoca della reionizzazione.
I modelli prevedono che la fine dell'epoca della reionizzazione corrisponda a una frequenza dell'idrogeno di 200 MHz. Questo costituisce una delle motivazioni per la gamma di frequenze che il telescopio SKA-Low è progettato per raccogliere. Il telescopio conterrà più di 130.000 antenne che fungono da unico telescopio, registrando emissioni comprese tra 50 MHz e 350 MHz.
Una volta installato e funzionante, il telescopio SKA-Low sarà in grado di effettuare le migliori misurazioni possibili delle prime sorgenti luminose dell'Universo. Dovrebbe inoltre essere in grado di scattare istantanee delle emissioni di idrogeno prima, durante e dopo la reionizzazione.
Finora, studi di questo tipo hanno già portato a enormi cambiamenti in ciò che pensiamo sia accaduto durante il primo Universo. Poiché le prime galassie possono essersi formate in modi diversi dalla nostra Via Lattea, le loro stelle potrebbero avere ordini di grandezza più grandi del nostro Sole e avere una vita molto più breve. Individuare quando è iniziata l'Epoca della Reionizzazione sarà la chiave per svelare questi misteri.