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Universo: la linea a 21 cm dell’idrogeno neutro

La prima luce dell’Universo si riferisce al momento in cui la temperatura scende (3000 K) al punto da permettere la formazione degli atomi di idrogeno neutri. I fotoni sono finalmente liberi di lanciarsi verso lo spazio ed essere infine raccolti dalle nostre strumentazioni odierne dopo un viaggio che è durato più di 13 miliardi e mezzo di anni.

Questo momento così importante nella storia del Cosmo è quella che ha originato la celeberrima radiazione cosmica di fondo e che si riferisce proprio a un’età dell’Universo di soli 380 000 anni. Ovviamente, durante il lungo viaggio, l’energia della radiazione è diminuita in modo macroscopico e il redshift ha spostato di molto la lunghezza d’onda originaria, che oggi si presenta nella regione delle microonde (circa 2 mm).

riga 21 cm idrogeno, universo
Mappa dell’idrogeno neutro nel cosmo

Essa permea l’intero Cosmo, presentando una temperatura di poco superiore ai 2.7 K (lo zero assoluto si trova a -273 °C).

Questo lampo di luce è durato però solo un attimo. Una volta formatisi gli atomi neutri di idrogeno, niente più poteva emettere luce e l’Universo entrò nella sua fase oscura, dove tutto era immerso in una nebbia impenetrabile.

Un periodo lungo, durato almeno fino a un miliardo di anni dopo il Big Bang, quando finalmente la sempre più frequente  nascita di stelle e galassie permise agli atomi di ionizzarsi e produrre nuovamente la luce, che ancora oggi illumina il cielo. Le stelle e le galassie sono riuscite a disperdere la nebbia, proprio come fa il Sole nelle grigie mattine d’inverno della pianura padana (quando ci riesce…).

Tuttavia, quella nebbia è un bel fastidio per gli astrofisici. Non nasconde un periodo qualsiasi e di scarsa importanza, ma proprio uno dei più fondamentali, quello in cui si sono formate le prime strutture a grandi dimensioni del Cosmo, proprio le galassie e le stelle. Se è vero che alla loro nascita la luce è riuscita a volte ad attraversare le nebbia e a giungere dopo almeno 13 miliardi di anni fino a noi, niente si può sapere delle loro fasi di formazione.

Qualcuno potrebbe dire: “La nascita delle stelle è un fenomeno che continuiamo a vedere anche oggi. Più o meno sarà stata la stessa cosa.”. Non è così semplice. Nell’era oscura esisteva quasi soltanto idrogeno e si formava lo prima generazione di stelle. In che modo?

All’interno di ammassi gassosi già aggregati (galassie primitive) o come oggetti singoli che poco alla volta si sono uniti a formare la loro città cosmiche. Erano sicuramente dei giganti, i primi che hanno inseminato lo spazio di elementi più pesanti dell’idrogeno, dell’elio e di qualche traccia di litio.

Sarebbe proprio indispensabile poter scrutare in quella nebbia durante la formazione stellare, capire come il gas neutro si è accresciuto, come si sono formati i mostruosi buchi neri primordiali, attorno a cui -forse- si  sono andate a costruire le galassie.

Insomma, tutto un mondo da scoprire, che, purtroppo non ci ha inviato luce e che non riusciamo a vedere nemmeno con i più grandi e sofisticati telescopi. Niente da fare, l’idrogeno neutro non emette radiazione! Ma è proprio vero? In effetti no.

Come viene generata la linea a 21 cm

Gli atomi di idrogeno sono stabili, ma in grado di cambiare, di tanto in tanto, una caratteristica del loro  elettrone. Non più di tanto, ma sufficientemente per darci qualche speranza. Per capire come possono cambiare questi atomi cosi sedentari e poco reattivi, dobbiamo analizzare il senso di rotazione delle particelle positive e negative.

A seconda di come ruotano si può ottenere uno stato di maggiore o minore energia. Se la rotazione è concorde si è in una fase di massima energia, se invece le rotazioni avvengono in senso opposto si passa a una configurazione di minima energia.

Anche se questo cambiamento capita molto raramente, gli atomi erano talmente tanti che non era difficile che ciò capitasse in quelle nubi immerse nella nebbia più impenetrabile. Mi direte: “Sì, sì, molto bello, ma se non si riesce a vedere niente, poco ci importa che elettroni e protoni eseguissero questi balletti nemmeno troppo entusiasmanti.

Noi non possiamo certamente assistere alla loro esecuzione non potendo ricevere una luce che non riuscivano a produrre”. E invece, no… Quando il verso di rotazione si ribalta e passa da uno stato di alta a uno di bassa energia, l’idrogeno neutro, pur nella sua apatia, emette un particolare fotone, scagliandolo verso lo spazio.

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Il cambiamento del senso di rotazione dell’elettrone all’interno di un atomo di idrogeno neutro produce l’emissione di un fotone a 21 cm

Nello spettro elettromagnetico si presenta come una linea di emissione collocata esattamente alla lunghezza d’onda di 21 cm. Un segno, un’etichetta indelebile che individua atomi di idrogeno completamente nascosti. Non possiamo non cercare di leggerla e di seguire attraverso di lei la storia di quegli ammassi di gas non ancora arrivati alla fine del loro lavoro di costruzione.

A parole sembra bello e semplice, ma nei fatti estremamente difficile. Innanzitutto, questa emissione ha subito un enorme redshift e quando arriva a noi è ormai spostata a una lunghezza d’onda dell’ordine dei due metri, diventando un segnale radio. Beh… abbiamo i radiotelescopi. Sì, ma le sorgenti di emissione delle riga a 21 cm sono moltissime e i segnali si mischiano creando non poca confusione.

E poi, pensiamo a quante cose deve aver superato questo povero fotone durante il suo viaggio, non ultima la nostra atmosfera che ne limita e  ne deforma il passaggio. Insomma, le potenzialità ci sono tutte, ma riuscire a discriminare le righe che provengono proprio dalla fase oscura è un bel problema tecnologico.

I passi in avanti, però, si susseguono e presto si potranno finalmente avere gli occhiali giusti per distinguere i segnali “veri” . Sarà un momento decisivo per lo studio della cosmologia. Si potranno finalmente “vedere” e descrivere i momenti di formazione delle prime stelle e galassie, eliminando la privacy che queste strutture hanno cercato di preservare in tutti i modi.

L’epoca della reionizzazione

Sembra che gli astronomi siano alle costole di un segnale che ha viaggiato nell’universo per ben 12 miliardi di anni. Un segnale che, una volta trovato, ci avvicinerà sempre di più alla comprensione della vita e della morte delle primissime stelle.

Già nel 2018, nello spettro del fondo cosmico a microonde era stata individuata l’impronta della luce delle prime stelle, ma misurare direttamente il segnale proveniente dall’idrogeno neutro sembra essere molto più difficile, a causa della debolezza del segnale stesso e degli effetti sistematici (strumentali e astrofisici) che affliggono la misura.

In un articolo apparso su arXiv, che sarà presto pubblicato sull’Astrophysical Journal, un team guidato da Nichole Barry dell’università australiana di Melbourne e dell’Arc Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (Astro 3D), riporta di avere ottenuto un miglioramento di un ordine di grandezza nella stima dell’epoca di reionizzazione, utilizzando i dati raccolti dal Murchison Widefield Array (Mwa), un insieme di 4096 antenne a dipolo collocate nel remoto entroterra dell’Australia occidentale.

Il radiotelescopio Mwa, che ha iniziato a funzionare nel 2013, è stato costruito appositamente per rilevare la radiazione elettromagnetica emessa dall’idrogeno neutro – un gas che si ritiene permeasse l’universo nel periodo in cui il brodo primordiale di protoni e neutroni generati in seguito al Big Bang ha iniziato a raffreddarsi.

Atomi di idrogeno che, a un certo punto, iniziarono a raggrupparsi per formare le stelle – le prime stelle – dando il via a una fase importante nell’evoluzione dell’Universo, nota come epoca della reionizzazione.

«Definire l’evoluzione dell’epoca della reionizzazione è estremamente importante per la nostra comprensione dell’astrofisica e della cosmologia», spiega Barry. «Finora però nessuno è stato in grado di farlo. Questi risultati ci avvicinano molto a questo obiettivo».

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Nichole Barry presso il radiotelescopio Mwa (Murchison Widefield Array). Crediti: Ruby Byrne

L’idrogeno neutro, che dominava lo spazio e il tempo prima dell’epoca della reionizzazione (e nel suo primo periodo), emetteva radiazione a una lunghezza d’onda di circa 21 centimetri.

A causa dell’espansione dell’universo, quel segnale si è spostato a lunghezze d’onda più lunghe (sopra ai 2 metri) ma persiste tuttora, e rilevarlo rimane il modo migliore con cui possiamo indagare le condizioni dell’universo ai suoi albori. Tuttavia, riuscire a trovarlo è un’impresa terribilmente difficile.

«Il segnale che stiamo cercando ha più di 12 miliardi di anni», spiega Cathryn Trott, coautrice del lavoro e membro della collaborazione Astro 3D, dell’International Center for Radio Astronomy Research presso la Curtin University nell’Australia occidentale. «È eccezionalmente debole e ci sono molte altre galassie, interposte tra lui e noi, che rendono molto difficile estrarre le informazioni che stiamo cercando».

In altre parole, i segnali registrati da Mwa – e da altri cacciatori di questo segnale che proviene dall’epoca della reionizzazione, come Hydrogen Epoch of Reionisation Array in Sud Africa e il Low Frequency Array in Olanda – sono estremamente confusi.

Usando 21 ore di dati grezzi, Barry e Mike Wilensky, dell’Università di Washington negli Stati Uniti, insieme ad altri colleghi, hanno esplorato nuove tecniche per perfezionare l’analisi ed escludere fonti coerenti di contaminazione del segnale, tra cui le deboli interferenze generate dalle trasmissioni radiofoniche terrestri. Il livello di precisione raggiunto ha ridotto in modo significativo l’intervallo in cui l’epoca di reionizzazione potrebbe essere iniziata.

«Con questo lavoro non possiamo dire che ci avviciniamo alla datazione precisa dell’inizio o della fine dell’epoca di reionizzazione, ma possiamo escludere alcuni dei modelli più estremi», afferma Trott. «Ora possiamo escludere che sia accaduto molto rapidamente, così come l’eventualità che le condizioni fossero molto fredde».

Segnale prodotto dalle prime stelle dell’universo

La porzione del grafico compresa grosso modo fra i 70 e i 90 MHz, là dove la linea della temperatura di brillanza s’abbassa di quasi mezzo grado, rimarrà nei libri di scienza: è l’impronta della luce delle prime stelle. Stiamo parlando dell’articolo pubblicato nel 2018 su Nature, poi ripreso sui giornali di tutto il mondo, sulla riga d’assorbimento dell’idrogeno primordiale rilevata nello spettro della radiazione cosmica di fondo.

Una misura che permette di datare con precisione la fine dell’era oscura dell’universo: 180 milioni di anni dopo il Big Bang. Un risultato enorme, inseguito da tempo, ma difficilissimo da conseguire. Un risultato che ha stupito la comunità astrofisica.

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Nei riquadri in alto, il grafico che mostra l’effetto della riga d’assorbimento dell’idrogeno osservato da Edges sulla radiazione cosmica di fondo all’epoca della fine dell’era oscura (fonte: Judd D. Bowman et al., Nature 2018). In basso, il segnale previsto nel 2000 da Paolo Tozzi et al. (fonte: Apj)

Non tutta, però. Per qualcuno, la prima impressione è stata quella d’un déjà vu. O meglio, déjà prévu: quattro scienziati, infatti, quella “tacca” nello spettro del fondo cosmico l’avevano prevista.

Più o meno lì dove è ora stata effettivamente trovata. È tutto in un articolo pubblicato il 10 gennaio del 2000 su The Astrophysical Journal, intitolato “Radio Signatures of H I at High Redshift: Mapping the End of the Dark Ages” e firmato, nell’ordine, da Paolo Tozzi, Piero Madau, Avery Meiksin e – leggenda nella leggenda – niente meno che Sir Martin J. Rees, astronomo reale e presidente della Royal Society.

Paolo Tozzi, il primo autore di quello studio, oggi è uno scienziato che lavora prevalentemente nell’ambito dell’astrofisica X all’Inaf di Arcetri. Vent’anni fa, però, giunto a Baltimora fresco di dottorato, per un po’ di tempo si trovò a occuparsi di altro. «Era il 1998, avevo 29 anni, e avevo lasciato l’Italia per andare allo Space Telescope e iniziare un lavoro con Piero Madau su un argomento per me completamente nuovo: l’idrogeno primordiale», ricorda oggi Tozzi a Media Inaf ripensando a quel paper d’allora.

«Che vuol dire tutto, perché a quell’epoca antica nell’universo – alla fine della dark age – non c’erano strutture, non c’era niente, c’erano solo materia oscura e barioni (e quindi prevalentemente idrogeno) distribuiti in modo omogeneo e immersi nella radiazione cosmica di fondo, e niente più.

Ma sapevamo bene che l’idrogeno, dal punto di vista astronomico, può emettere attraverso la sua radiazione a 21 cm, e ci chiedevamo come fosse possibile stanarlo attraverso questo canale osservativo ben noto, un argomento su cui il gruppo di Piero Madau aveva già pubblicato alcuni lavori».

Perché era così difficile da vedere, questa radiazione?

«Il problema è che all’epoca della dark age, non essendoci nulla se non una distribuzione uniforme, tutto era immerso in un bagno termico che rendeva l’intero universo d’un solo “colore”, uniforme, senza alcun segnale che rivelasse la presenza della materia diffusa.

Allora cominciammo a ragionare su come l’idrogeno potesse rendersi visibile – se osservato nella frequenza a 21 cm emessa all’epoca, dunque osservabile oggi a frequenze molto più basse – quando comparivano le prime sorgenti. E mi ricordo che facemmo questo grafico, che poi divenne molto popolare, che mostrava la traccia lasciata dal doppio passaggio del gas, avvenuto all’epoca, prima dalla temperatura del fondo al freddo, poi dal freddo al caldo.

Questo passaggio lasciava impresso nella radiazione cosmica di fondo, se uno l’avesse osservata a quelle frequenze, proprio questo segnale, che è come una specie di pugnalata. Molto piccola, perché alla fine il segnale era molto piccolo, però era come se ci fosse una specie di tacca, impressa in questa radiazione: un’incisione che poi spariva subito. La tacca delle prime stelle».

Il segnale da cercare

«Già. Questa cosa ci piacque moltissimo, abbiamo fatto questo grafico, poi il campo si è evoluto, le previsioni successive si sono basate su modelli molto più elaborati e complessi, ma essenzialmente la conclusione rimane quella: nella radiazione cosmica di fondo, se uno guarda lo spettro, si doveva intravedere questa “tacca” legata alle prime stelle. E la si doveva trovare ovunque nel cielo».

E infatti… Vi è toccato attendere una ventina d’anni, ma la mattina di giovedì 1 marzo 2018 quella tacca ve la siete ritrovata su Nature, nell’articolo di Judd Bowman e colleghi.

«Proprio così. E l’avrebbero vista con uno strumento di una semplicità disarmante. Se uno guarda una foto delle antenne di Edges, dicevamo scherzando fra colleghi, sembrano due tavolini da the messi su una griglia di metallo in mezzo al deserto. Ed effettivamente è più o meno così.

Certo, dietro c’è l’enorme complessità richiesta nel trattare il segnale, analizzarlo, riceverlo e pulirlo dalle sorgenti astronomiche di foreground. Ma l’immagine che abbiamo è appunto di questi due tavolini messi in mezzo al deserto, ed è impressionante pensare che si sarebbero collegati con l’inizio dell’universo in questo modo.

La cosa incredibile è che il segnale che hanno visto è molto più forte di quello che ci si aspettava. Tant’è vero che altri scienziati hanno subito proposto, quasi in contemporanea, un altro articolo in cui interpretano questa differenza – il fatto che appaia molto più profonda di quanto atteso – come il segno di una nuova fisica».

In che senso una nuova fisica?

«Per rendere così profonda la tacca, dicono, ci dev’essere qualcosa che raffredda ulteriormente questo gas, qualcosa che potrebbe essere addirittura la materia oscura interagente: una materia oscura che interagisce con la materia ordinaria.

E questo chiaramente sarebbe un’altra scoperta clamorosa, perché di materia oscura interagente, ovvero di particelle che potrebbero avere un livello d’interazione, è vero che se ne parla ma nessuno ne sa niente, nessuno ha una prova.

E quindi la cosa che veramente ha del clamoroso è che potrebbero aver visto, con la stessa osservazione, sia le prime stelle sia una cosa fondamentale della natura della materia oscura. C’è infatti chi subito ha detto: questa è un’osservazione non da uno, bensì da due premi Nobel».

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. “Improving the EoR Power Spectrum Results from MWA Season 1 Observations” di Barry, M. Wilensky, C. M. Trott, B. Pindor, A. P. Beardsley, B. J. Hazelton, I. S. Sullivan, M. F. Morales, J. C. Pober, J. Line, B. Greig, R. Byrne, A. Lanman, W. Li, C. H. Jordan, R. C. Joseph, B. McKinley, M. Rahimi, S. Yoshiura, J. D. Bowman, B. M. Gaensler, J. N. Hewitt, D. C. Jacobs, D. A. Mitchell, N. Udaya Shankar, S. K. Sethi, R. Subrahmanyan, S. J. Tingay, R. L. Webster e J. S. B. Wyithe
  2. The Astrophysical Journal l’articolo del 2000  “Radio Signatures of H I at High Redshift: Mapping the End of the Dark Ages”, di Paolo Tozzi, Piero Madau, Avery Meiksin eMartin J. Rees
  3. INAF. Così riuscimmo a preveder le stelle – Marco Malaspina,  08/03/2018
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