Quattro anni fa, gli astronomi hanno avuto una spettacolare realizzazione per un nuovo tipo di scienza che potevano svolgere: potevano, finalmente, cercare la presenza (o l’assenza) di uno sfondo ottico cosmico. Abbiamo una teoria sulla provenienza della luce nell’Universo:
- abbiamo la luce residua del Big Bang, ora spostata nelle porzioni di microonde dello spettro,
- abbiamo la luce generata dalle stelle, che si pensa sia distribuita all’interno di galassie, gruppi di galassie e ammassi, così come alcune stelle e ammassi stellari nel mezzo intracluster,
- abbiamo la luce riflessa dalle nubi neutre di materia,
- abbiamo la luce generata dalla materia riscaldata, che genera uno sfondo cosmico infrarosso.
In teoria, l’unico “fondo ottico cosmico” che dovrebbe esserci è la luce generata dalle stelle, che dovrebbe essere confinata all’interno di galassie e raccolte di materia più grandi, più un po’ di luce riflessa aggiuntiva dall’interno di quelle stesse strutture. Ma dalla Terra e persino dallo spazio all’interno del nostro Sistema Solare, non possiamo condurre queste misurazioni; c’è troppa “luce diffusa” dalla luce solare che si riflette su minuscole particelle nello spazio interplanetario per osservare la vera oscurità.
Abbiamo cinque sonde spaziali che hanno viaggiato abbastanza lontano dalla Terra (Voyager 1 e 2, Pioneer 10 e 11 e New Horizons) per le quali tutta quella luce vagante, nota come luce zodiacale, è finalmente abbastanza debole da poter rispondere a domande sull’oscurità dello spazio profondo. Sebbene le prime quattro non abbiano gli strumenti giusti per effettuare quelle misurazioni critiche, New Horizons li ha, ed è ancora pienamente operativa. Dopo un’attenta analisi da parte del team di New Horizons, ecco cosa abbiamo imparato sullo sfondo ottico cosmico.
Immagina di essere stato all’inizio del Big Bang caldo e di essere in grado, da un punto di vista onnisciente, di osservare lo svolgersi della storia dell’Universo. Inizialmente, l’Universo era completamente illuminato. Un bagno incredibilmente denso ed energetico di particelle, antiparticelle e radiazioni, inclusi i fotoni, persisteva ovunque e in tutte le direzioni, con energie che raggiungevano e superavano facilmente quelle delle lunghezze d’onda ottiche. Nel tempo, tuttavia, l’Universo si è espanso e raffreddato e la luce al suo interno vede la sua lunghezza d’onda allungarsi, riducendo la sua energia e trasformandola da ultravioletta a ottica a infrarossa e persino energie più lunghe e a lunghezza d’onda inferiore.
Ma poi sorge una nuova fonte di luce. Una volta formati gli atomi neutri, la materia nell’Universo inizia a contrarsi gravitazionalmente, attirando la materia nelle regioni più dense di tutte e causando l’intersezione di flussi di gas. Mentre queste nubi di gas collassano e si frammentano, le loro densità più interne aumentano, intrappolando il calore mentre si contraggono sempre più, finché non viene superata una soglia critica e si formano le stelle. Quelle stelle ricominciano a illuminare l’Universo con luce ottica (visibile) e quando arriveremo ai giorni nostri, più di 13 miliardi di anni dopo, ci aspettiamo che si siano formate più di due sestilioni di stelle, distribuite in galassie, gruppi di galassie, ammassi di galassie e persino strutture più grandiose.
In queste raccolte di materia si verificano ulteriori processi che dovrebbero anch’essi emettere luce visibile (ottica).
- I buchi neri dovrebbero accumulare materia, riscaldandosi a temperature così elevate da emettere luce visibile.
- Le stelle luminose emettono luce ultravioletta che, a causa dell’espansione cosmica, viene spostata nella parte visibile dello spettro prima di raggiungere i nostri occhi.
- La luce delle stelle colpisce granelli di materia neutri, come la polvere, riscaldandoli e provocando l’eccitazione degli elettroni al loro interno, che scendono a cascata nei livelli energetici emettendo luce.
- La luce delle stelle, diffusa in tutte le direzioni nell’Universo, colpisce nubi di materia, che riflettono una parte di quella luce, creando ulteriori fonti di radiazione ottica.
Tuttavia, si prevede che siano principalmente le stelle all’interno delle galassie e, in misura minore, i buchi neri all’interno di queste galassie, a essere i principali responsabili della luce ottica nell’Universo. Uno dei grandi test di questa idea sarebbe quello di lanciare un telescopio molto lontano dal Sistema Solare, oltre il punto in cui i granelli di ghiaccio e polvere presenti nello spazio interplanetario ancora riflettono la luce solare, e misurare la debole quantità di luce cumulativa proveniente da tutte le fonti esterne all’interno dell’Universo.
Se la somma di tutta quella luce, ovvero lo sfondo ottico cosmico, corrisponde alla luce prevista proveniente dalle galassie e dai loro buchi neri, allora questo aiuta a confermare la nostra moderna immagine dell’Universo. In caso contrario, tuttavia, potremmo scoprire che lo spazio profondo non è completamente buio e che forse c’è di più nell’Universo di quanto immaginiamo attualmente.
Abbiamo già effettuato uno straordinario censimento di galassie deboli a una vasta gamma di distanze, utilizzando potenti tecniche di campo profondo ad alta risoluzione con osservatori come JWST e Hubble, e anche utilizzando tecniche di campo ampio a risoluzione inferiore con telescopi come Sloan Digital Sky Survey, Gaia ed Euclid. Ma tutti questi telescopi soffrono di un profondo svantaggio: non sono abbastanza lontani dal Sole. Di conseguenza, c’è il rischio che la luce diffusa, sia dalla Via Lattea sia dalla presenza di polvere zodiacale, stia inquinando questi osservatori. Per sondare le profondità dello spazio interstellare, dobbiamo eliminare queste fonti di “inquinamento luminoso”.
Si possono immaginare alcuni modi intelligenti per cercare di gestire questa luce. Si può immaginare di fare osservazioni quando un osservatorio è nell’ombra della Terra, ma la luce zodiacale è ancora presente e continuerà a inquinare le osservazioni. Si può immaginare di guardare ben oltre il piano dell’eclittica, dove la luce zodiacale è più debole. Ma anche se si fa questo, la luminosità di fondo del cielo è circa un fattore 15 maggiore della luce extragalattica non risolta; sia Hubble che JWST sono sommersi da questo rumore.
L’unica opzione realistica è quella di andare molto, molto lontano: a grandi distanze, dove la densità delle particelle di polvere interplanetaria, quelle che riflettono la luce solare e creano la luce zodiacale, è così piccola che contribuisce solo in modo trascurabile.
Il lavoro di New Horizons
Ora finalmente, abbiamo un osservatorio quasi nel posto giusto: la sonda spaziale New Horizons. Attualmente a una distanza di circa 57 Unità Astronomiche (dove 1 UA è la distanza Terra-Sole), è una delle sole cinque sonde spaziali lanciate dall’umanità che si trova attualmente su una traiettoria che la porterà a uscire dal Sistema Solare. Contiene anche la telecamera attiva più remota mai dispiegata e, nella sua posizione a così grandi distanze dal Sole, è sostanzialmente priva della luce zodiacale in primo piano. Mentre Hubble, in orbita terrestre bassa, non è in grado di effettuare misurazioni di alta qualità dello sfondo ottico cosmico, New Horizons, armata del suo strumento LORRI (Long-Range Reconnaissance Imager), è ora in una posizione privilegiata per fare esattamente questo.
Il primo tentativo di condurre queste misurazioni e di quantificare lo sfondo ottico cosmico con New Horizons è stato condotto nel 2021 e ha fatto i conti con una serie di problemi. Hanno modellato gli effetti di:
- rumore della telecamera,
- residuo di luce solare sparsa,
- eccesso di luce stellare fuori asse,
- riflessi dei cristalli emessi dalla spinta della navicella spaziale,
- ed effetti strumentali,
così da poterle rimuovere dalle osservazioni. I ricercatori ignorarono le osservazioni vicine al piano della Via Lattea e si concentrarono invece su osservazioni il più possibile lontane dal piano galattico. Quindi quantificarono la luce che osservarono, la confrontarono con il contributo complessivo previsto di stelle e galassie e trassero conclusioni su cosa, se non altro, avrebbero potuto apprendere su eventuali eccessi presenti all’interno dello sfondo ottico cosmico osservato.
Quello studio, basato su sette campi acquisiti quando New Horizons era più vicino al Sole (da 42 a 45 UA di distanza), ha dedotto un’intensità di fondo ottico cosmico di 15,9 ± 4,2 nanowatt per metro quadrato per steradiante (dove uno steradiante è una misura dell’angolo solido nel cielo; ci sono un totale di 4π steradianti in tutto il cielo), che era approssimativamente il doppio della quantità di luce prevista da stelle e galassie non risolte. Sembrava che i dati indicassero una sorpresa: forse c’era più luce là fuori nell’Universo di quanta ne potessero spiegare le stelle e le galassie note e previste.
Tuttavia, c’erano altre fonti di luce in primo piano che avrebbero potuto potenzialmente contaminare queste osservazioni. La luce galattica diffusa era un grave contaminante, poiché le stelle nella Via Lattea emettono luce che viene dispersa dalla polvere interstellare.
Luce stellare dispersa, dove le stelle al di fuori del campo visivo dello strumento LORRI contribuiscoo con la luce stellare che si fa strada nella fotocamera. Sulla base di una vasta serie di osservazioni effettuate con la sonda spaziale New Horizons, il team di New Horizons ha ora condotto un nuovo lavoro che è stato accettato per la pubblicazione sull’Astrophysical Journal, nel corso del quale hanno acquisito nuove immagini LORRI che erano state progettate esplicitamente per ridurre al minimo questi contributi in primo piano.
Questo nuovo lavoro contiene una serie di interessanti scoperte che affinano in modo significativo quanto avevamo concluso in precedenza. Il contributo della luce galattica diffusa, in particolare, è stato sostanzialmente raffinato e si è scoperto essere molto maggiore di quanto indicato nel lavoro precedente. Nell’analisi precedente, la componente “anomala” dello sfondo ottico cosmico, che non poteva essere spiegata da primi piani o da eccesso di luce da stelle e galassie non risolte, è stata quantificata a 8,8 ± 4,9 nW/m²/sr, il che era significativo a un livello superiore a 3 sigma: altamente suggestivo, ma non del tutto conclusivo.
Ora, tuttavia, la nuova analisi, guidata da una rianalisi della luce galattica diffusa, più che dimezza sia la quantità di luce in eccesso attribuita allo sfondo ottico cosmico, sia la significatività del risultato.
Come afferma molto chiaramente il nuovo articolo: “Mentre le nostre osservazioni possono accogliere una modesta anomalia [dello sfondo ottico cosmico] relativa all’ampiezza dell’IGL, non possiamo falsificare l’ipotesi più semplice secondo cui lo [sfondo ottico cosmico] è dovuto interamente alla popolazione nota di galassie“.
Il miglioramento più significativo è nel numero di campi acquisiti con LORRI per condurre l’analisi. Mentre il documento originale del 2021 utilizzava solo 7 campi per stimare lo sfondo ottico cumulativo, questo nuovo documento sfrutta 16 campi per stimare lo sfondo, più 8 campi per scopi di calibrazione. Ciò crea un risultato con minore incertezza, nonché un risultato calibrato in modo più robusto rispetto all’analisi precedente.
Originariamente, l’analisi del 2021 ha scoperto che c’erano livelli elevati di rumore di fondo (che gradualmente si attenuavano) ogni volta che lo strumento LORRI veniva acceso. Per adattarsi a questo effetto, hanno atteso circa quattro minuti affinché il rumore di fondo elevato si attenuasse a sufficienza. Tuttavia, questa nuova analisi mostra che questo rumore elevato continua a attenuarsi anche dopo quattro minuti, il che richiede una ricalibrazione, che è stata inclusa nell’analisi più recente. Questo tipo di miglioramento è essenziale per ridurre gli errori sistematici.
Tuttavia, sono stati apportati molteplici miglioramenti ai contributi ai primi piani, nonché ulteriori miglioramenti nella stima del contributo al segnale misurato dalla luce galattica diffusa, e anche questi svolgono un ruolo importante.
Per i primi piani, hanno scoperto che il contributo della luce galattica diffusa è leggermente maggiore di quanto stimato nell’analisi precedente: 0,10 nW/m²/sr, rispetto a 0,07 nW/m²/sr in precedenza. Hanno anche scoperto la necessità di correggere l’emissione dalla transizione del livello energetico da n=3 a n=2 nell’idrogeno, dove gli atomi di idrogeno eccitati emettono fotoni di una lunghezza d’onda specifica (656,3 nm) mentre si de-eccitano, che non era inclusa nell’analisi precedente.
Infine, hanno scoperto che il contributo delle galassie luminose adiacenti, anche se erano escluse dal campo, contribuiva al primo piano, oltre alla luce stellare diffusa, alla luce stellare integrata e alla luce galattica integrata che erano state precedentemente quantificate.
Per quanto riguarda la luce galattica diffusa, è stato utilizzato un calibratore infrarosso lontano superiore (dal satellite Planck, in sostituzione dei dati IRIS utilizzati in precedenza) e l’effettivo campo visivo LORRI è stato utilizzato per stimare l’apertura, anziché un semplice cerchio di raggio angolare fisso. Ma forse la correzione più grande è derivata da un metodo di auto-calibrazione superiore che utilizza gli 8 campi di alta latitudine galattica (5 nord, 3 sud) acquisiti in questa nuova analisi, anziché utilizzare uno stimatore del 2017 , dal team che per primo ha suggerito di utilizzare New Horizons per misurare lo sfondo ottico cosmico.
Quando si mettono insieme tutti questi effetti con le nuove misurazioni, l’ultima analisi rileva che la forza stimata dello sfondo ottico cosmico è molto più piccola delle stime precedenti: circa la metà di quanto avevano rivelato le stime più grandi con i dati di New Horizons e solo circa due terzi di quanto suggerito dall’analisi originale di New Horizons, dello stesso team. Invece di un risultato significativo a un livello superiore a 3 sigma, che si accompagna solo a circa lo 0,3% di possibilità di essere un colpo di fortuna, questo risultato è altamente coerente con lo sfondo previsto dalle fonti di luce note: stelle, galassie, buchi neri e gas eccitato.
L’anomalia rimanente ha solo una significatività di circa 1,5 sigma, che si accompagna a circa il 15% di probabilità di essere un colpo di fortuna: un valore decisamente troppo grande per essere rassicurante. Inoltre, mette in discussione affermazioni precedenti, poiché nuove stime della luce galattica diffusa portano a un valore rivisto per il rapporto di un precedente articolo del 2022 dello stesso team (la barra grigia inferiore, al contrario di quella superiore), suggerendo che ci sono scarse prove a supporto di un rilevamento di fonti di luce in eccesso oltre a quanto previsto dalla fisica nota. Come concludono gli stessi autori:
“Se la nostra attuale intensità [del fondo ottico cosmico] è corretta, tuttavia, significa che i conteggi delle galassie, l’estinzione dei raggi γ [ad altissima energia] e le misure dirette delle bande ottiche dell’intensità [del fondo ottico cosmico] sono finalmente converse a un interessante livello di precisione… l’ipotesi più semplice sembra fornire la migliore spiegazione di ciò che vediamo: il fondo ottico cosmico è la luce di tutte le galassie all’interno del nostro orizzonte“.
