Un limite insuperabile per i telescopi

La costruzione di telescopi sempre più avanzati dal punto di vista tecnologico non consente tuttavia di osservare un periodo antichissimo dell’Universo primordiale, noto come alba cosmica.

Grazie ai telescopi più avanzati, gli astronomi di oggi possono infatti vedere come apparivano gli oggetti 13 miliardi di anni fa, circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Sfortunatamente, non sono ancora in grado di squarciare il velo dei secoli bui cosmici , un periodo che è durato da 370.000 a 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, dove l’Universo è stato ricoperto di idrogeno neutro che oscurava la luce. Per questo motivo, i nostri telescopi non possono vedere quando si sono formate le prime stelle e galassie, circa da 100 a 500 milioni di anni dopo il Big Bang.

L’ultima frontiera delle osservazioni

Nel novembre del 2021, il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA verrà finalmente lanciato nello spazio. Grazie alla sua sensibilità e all’avanzata ottica infrarossa, Webb sarà il primo osservatorio in grado di assistere alla nascita delle galassie. Secondo un nuovo studio dell’Université de Genève, in Svizzera, la capacità di vedere l’alba cosmica fornirà risposte ai più grandi misteri cosmologici di oggi.

Per gli astronomi e i cosmologi di oggi, la capacità di osservare l’alba cosmica rappresenta un’opportunità per rispondere ai misteri cosmici più duraturi. Mentre la prima luce nell’Universo è ancora visibile oggi come Cosmic Microwave Background (CMB), quella che seguì poco dopo (e fino a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang) è stata storicamente invisibile ai nostri strumenti più avanzati.

Ciò ha tenuto le menti scientifiche all’oscuro su diverse importanti questioni cosmologiche. Non solo le prime stelle e galassie si formarono durante i “secoli oscuri”, portando gradualmente la luce nell’Universo, ma fu anche in questo periodo che avvenne la “reionizzazione cosmica”. Questo periodo di transizione è quando si ritiene che quasi tutto il gas neutro che ha permeato l’Universo si sia trasformato in protoni ed elettroni (alias barioni) che costituiscono tutta la materia “normale”.

Le prime stelle dell’Universo

Studiando le prime stelle e galassie in formazione, gli astronomi saranno in grado di vedere da dove proviene il 90% della materia barionica (ovvero “luminosa” o “normale”) nell’Universo e come si è evoluta nelle strutture cosmiche su larga scala che noi vedi oggi. La capacità di modellare come l’Universo si è evoluto da questo periodo fino ad oggi offre anche l’opportunità di vedere direttamente l’influenza della materia oscura e dell’energia oscura.

Da questo, gli scienziati valuteranno diversi modelli cosmologici, il più ampiamente accettato dei quali è il modello Lambda-Cold Dark Matter (LCDM).

Questi modelli coinvolgono versioni non standard di dark matter (cioè “warm dark matter”), versioni modificate della gravità e teorie dell’inflazione che non coinvolgono dark energy – Modified Newtonian Dynamics (MOND). In sostanza, gli scienziati saranno in grado di vedere la gravità e l’espansione cosmica dal momento in cui tutto è iniziato (pochi trilionesimi di secondo dopo il Big Bang). Per anni, la comunità astronomica ha atteso con impazienza il giorno in cui il James Webb sarebbe stato finalmente lanciato nello spazio.

L’ottica a infrarossi avanzata e l’elevata sensibilità dell’osservatorio consentiranno di osservare le prime galassie mentre erano ancora in formazione. Normalmente, la luce delle galassie sarebbe oscurata da tutta la polvere e i gas interstellari e intergalattici che si trovano tra loro e la Terra. Insieme agli strumenti esistenti e di prossima generazione, afferma il dott. Padmanabhan, queste galassie saranno osservabili per la prima volta:

“Missioni come il JWST saranno in grado di rilevare galassie estremamente deboli che si sono formate quando l’Universo era solo un decimo delle sue dimensioni attuali. In combinazione con rilievi radio come lo SKA [ Square Kilometer Array ], questo ci fornirà un quadro completo delle prime sorgenti luminose e del loro sviluppo nel tempo cosmico. JWST fornisce sondaggi profondi, simili a un “fascio di matita”, il cui campo visivo totale è dell’ordine di diversi minuti d’arco quadrati, quindi non accederà a scale cosmologiche, ma migliorerà significativamente la nostra comprensione dei processi fisici che hanno contribuito alla reionizzazione.

“L’ALMA ora rileva regolarmente le galassie nella loro emissione di linea submillimetrica, come il carbonio ionizzato singolarmente, [CII] e l’ossigeno doppiamente ionizzato, [OIII], che sono entrambi sonde di reionizzazione molto interessanti. L’imminente esperimento COMAP-Epoch of Reionization, di cui faccio parte, prevede di accedere all’emissione della linea di monossido di carbonio (CO) intorno agli stadi intermedi e finali della reionizzazione, che è un eccellente tracciante della formazione stellare. I primi piani non sono un problema così serio per le linee submillimetriche”.

L’approccio multimessaggero

Questo metodo è noto come approccio multimessaggero, in cui vengono combinati segnali luminosi provenienti da diversi strumenti ea diverse lunghezze d’onda. Se applicato all’Alba Cosmica, afferma il Dr. Padmanabhan, questo approccio è lo strumento più promettente per ottenere informazioni sull’Universo. Nello specifico, la rilevazione delle onde gravitazionali dai primi buchi neri supermassicci rivelerà come queste forze primordiali della natura abbiano influenzato l’evoluzione galattica.

“Combinando questo con la conoscenza del modo in cui il gas e le galassie si evolvono che otteniamo dalle indagini elettromagnetiche, questo ci fornirà un quadro completo di Cosmic Dawn”, ha detto. “Sarà fondamentale per rispondere a una domanda in sospeso in cosmologia e astrofisica: come si sono formati i primi buchi neri e qual è stato il loro contributo alla reionizzazione?”

La possibilità di organizzare campagne multimessaggero che combinino segnali infrarossi ad alta sensibilità con segnali radio è uno dei tanti modi in cui l’astronomia sta progredendo così rapidamente. Oltre a strumenti più sofisticati, gli astronomi beneficeranno anche di metodi migliorati, tecniche di apprendimento automatico più sofisticate e opportunità di ricerca collaborativa.

Ultimo ma non meno importante, la capacità di combinare segnali provenienti da diversi array (ea diverse lunghezze d’onda dell’energia elettromagnetica) ha già creato nuove opportunità per sofisticate campagne di imaging. Un buon esempio di ciò è il progetto Event Horizon Telescope (EHT), che si affida a 10 radiotelescopi in tutto il mondo per raccogliere la luce dalle SMBH (come il nostro Sagittarius A* ). Nel 2019, l’EHT ha scattato la prima immagine di una SMBH; in questo caso, quello situato al centro di M87 (la galassia ellittica supergigante Vergine A).

*Fonte: Quanta Magazine