Tutta la luce nella storia dell’universo osservabile

Dal nostro puntino blu, l’universo appare inconcepibilmente vasto. Nel grande schema cosmico delle cose, tutta la luce nell’universo osservabile fornisce tanta illuminazione quanto una lampadina da 60 watt vista da 4 chilometri di distanza, dice Marco Ajello, un astrofisico della Clemson University, che, nel 2018, ha guidato un team che ha misurato tutta la luce stellare mai prodotta nel corso della storia dell’universo osservabile.

Tutta l’energia mai irradiata da tutte le stelle che siano mai esistite, osserva Ajello, è ancora con noi, riempiendo l’universo di una sorta di nebbia, un mare di fotoni noto come luce di fondo extragalattica (EBL).

Gli astrofisici ritengono che il nostro universo, che ha circa 13,8 miliardi di anni, abbia iniziato a formare le prime stelle quando aveva poche centinaia di milioni di anni. “Gli astronomi stimano che l’universo osservabile – una bolla di 14 miliardi di anni luce di raggio, che rappresenta quanto lontano siamo stati in grado di vedere dal suo inizio – contenga almeno due trilioni di galassie e un trilione di trilioni di stelle“, scrive Dennis Overbye sul New York Times Scienza.

“La maggior parte di queste stelle e galassie sono troppo lontane e troppo deboli per essere viste con qualsiasi telescopio conosciuto dall’uomo“.

Dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi

Utilizzando nuovi metodi di misurazione della luce stellare, Ajello e il suo team hanno analizzato i dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA per determinare la storia della formazione stellare durante la maggior parte della vita dell’universo, riferisce Jim Melvin.

Misurare l’intera quantità di luce stellare mai emessa

“Dai dati raccolti dal telescopio Fermi, siamo stati in grado di misurare l’intera quantità di luce stellare mai emessa. Questo non è mai stato fatto prima“, ha detto Ajello, che è l’autore principale del documento.

“La maggior parte di questa luce è emessa dalle stelle che vivono nelle galassie. E, quindi, questo ci ha permesso di comprendere meglio il processo di evoluzione stellare e ottenere intuizioni accattivanti su come l’universo ha prodotto il suo contenuto luminoso“.

Mettere un numero sulla quantità di luce stellare mai prodotta ha diverse variabili che rendono difficile quantificarla in termini semplici. Ma secondo la nuova misurazione, il numero di fotoni (particelle di luce visibile) che sono fuggiti nello spazio dopo essere stati emessi dalle stelle si traduce in 4×10^84.

O in altre parole: 4.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000, 000.000.000.000.000.000 fotoni.

Perché il cielo è buio di notte

Nonostante questo numero straordinariamente grande, è interessante notare che, ad eccezione della luce che proviene dal nostro sole e dalla nostra galassia, il resto della luce stellare che raggiunge la Terra è estremamente debole.

Questo perché l’universo è quasi incomprensibilmente enorme. Questo è anche il motivo per cui il cielo è buio di notte, a parte la luce della luna, le stelle visibili e il debole bagliore della Via Lattea.

EBL — Una nebbia cosmica composta da tutta la luce ultravioletta, visibile e infrarossa

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi è stato lanciato in orbita bassa l’11 giugno 2008. È un potente osservatorio che ha fornito enormi quantità di dati sui raggi gamma (la forma di luce più energetica) e sulla loro interazione con la luce di fondo extragalattica (EBL), che è una nebbia cosmica composta da tutta la luce ultravioletta, visibile e infrarossa emessa dalle stelle o dalla polvere nelle loro vicinanze.

Ajello e il collega postdottorato Vaidehi Paliya hanno analizzato quasi nove anni di dati relativi ai segnali di raggi gamma da 739 blazar.

Un’impronta osservabile in un dato momento della storia dell’universo

I blazar sono galassie contenenti buchi neri supermassicci in grado di rilasciare getti strettamente collimati di particelle energetiche che fuoriescono dalle loro galassie e attraversano il cosmo quasi alla velocità della luce.

Quando uno di questi getti è puntato direttamente verso la Terra, è rilevabile dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi anche quando proviene da molto lontano.

I fotoni di raggi gamma prodotti all’interno dei getti alla fine si scontrano con la nebbia cosmica, lasciando un’impronta osservabile. Ciò ha permesso al team di Ajello di misurare la densità della nebbia non solo in un dato luogo ma anche in un dato momento della storia dell’universo.

Un’analisi dei raggi gamma di 739 blazars

“I fotoni di raggi gamma che viaggiano attraverso una nebbia di luce stellare hanno una grande probabilità di essere assorbiti“, ha detto Ajello.

“Misurando quanti fotoni sono stati assorbiti, siamo stati in grado di misurare quanto fosse spessa la nebbia e anche misurare, in funzione del tempo, quanta luce c’era nell’intera gamma di lunghezze d’onda”.

Usando le indagini galattiche, la storia della formazione stellare dell’universo è stata studiata per decenni. Ma un ostacolo affrontato dalla ricerca precedente era che alcune galassie erano troppo lontane, o troppo deboli, per essere rilevate dai telescopi attuali. Ciò ha costretto gli scienziati a stimare la luce stellare prodotta da queste lontane galassie piuttosto che registrarla direttamente.

Il team di Ajello è stato in grado di aggirare questo problema utilizzando i dati del Large Area Telescope Fermi per analizzare la luce di fondo extragalattica.

La luce delle stelle che sfugge alle galassie, comprese quelle più lontane, alla fine diventa parte dell’EBL. Pertanto, misurazioni accurate di questa nebbia cosmica, che sono diventate possibili solo di recente, hanno eliminato la necessità di stimare le emissioni di luce dalle galassie ultra-distanti.

Paliya ha eseguito l’analisi dei raggi gamma di tutti i 739 blazar, i cui buchi neri sono da milioni a miliardi di volte più massicci del nostro sole.

“Utilizzando blazar a diverse distanze da noi, abbiamo misurato la luce totale delle stelle in diversi periodi di tempo“, ha detto Paliya del dipartimento di fisica e astronomia.

“Abbiamo misurato la luce stellare totale di ogni epoca – un miliardo di anni fa, due miliardi di anni fa, sei miliardi di anni fa, ecc. – fino a quando le stelle si sono formate per la prima volta. Questo ci ha permesso di ricostruire l’EBL e determinare la storia della formazione stellare dell’universo in un modo più efficace di quanto non fosse stato raggiunto prima“.

Quando i raggi gamma ad alta energia si scontrano con la luce visibile a bassa energia, si trasformano in coppie di elettroni e positroni. Secondo la NASA, la capacità di Fermi di rilevare i raggi gamma attraverso un’ampia gamma di energie lo rende particolarmente adatto per la mappatura della nebbia cosmica.

Queste interazioni tra particelle si verificano su immense distanze cosmiche, il che ha permesso al gruppo di Ajello di sondare più in profondità che mai la produttività della formazione stellare dell’universo.

“Gli scienziati hanno cercato di misurare l’EBL per molto tempo. Tuttavia, i primi piani molto luminosi come la luce zodiacale (che è la luce diffusa dalla polvere nel sistema solare) hanno reso questa misurazione molto impegnativa“, ha affermato il coautore Abhishek Desai, un assistente di ricerca laureato nel dipartimento di fisica e astronomia.

“La nostra tecnica è insensibile a qualsiasi primo piano e quindi ha superato queste difficoltà tutte in una volta“.

I punti verdi mostrano le posizioni di 186 lampi di raggi gamma osservati dal Large Area Telescope (LAT) sul satellite Fermi della NASA durante il suo primo decennio. Alcuni burst degni di nota sono evidenziati ed etichettati. Sfondo: Costruita da nove anni di dati LAT, questa mappa mostra come il cielo di raggi gamma appare a energie superiori a 10 miliardi di elettronvolt. Il piano della nostra galassia, la Via Lattea, corre lungo il centro della trama. I colori più luminosi indicano sorgenti di raggi gamma più luminose.

La formazione stellare, che si verifica quando regioni dense di nubi molecolari collassano e formano stelle, ha raggiunto il picco circa 11 miliardi di anni fa. Ma sebbene la nascita di nuove stelle da allora sia rallentata, non si è mai fermata. Ad esempio, ogni anno vengono create circa sette nuove stelle nella nostra galassia della Via Lattea.

Stabilire non solo l’attuale EBL, ma rivelare la sua evoluzione nella storia cosmica è un importante passo avanti in questo campo, secondo il membro del team Dieter Hartmann, professore nel dipartimento di fisica e astronomia.

 Un grande ciclo cosmico e riciclo di energia, materia e metalli

“La formazione stellare è un grande ciclo cosmico e riciclaggio di energia, materia e metalli. È il motore dell’universo”, ha detto Hartmann. “Senza l’evoluzione delle stelle, non avremmo gli elementi fondamentali necessari per l’esistenza della vita“.

Comprendere la formazione stellare ha anche ramificazioni per altre aree di studio astronomico, compresa la ricerca sulla polvere cosmica, l’evoluzione delle galassie e la materia oscura.

L’analisi del team fornirà alle future missioni una linea guida per esplorare i primi giorni dell’evoluzione stellare, come l’imminente James Webb Space Telescope, che sarà lanciato nel 2021 e consentirà agli scienziati di dare la caccia alla formazione di galassie primordiali.

L’Epoca Inesplorata

“Il primo miliardo di anni della storia del nostro universo è un’epoca molto interessante che non è stata ancora sondata dagli attuali satelliti“, ha concluso Ajello.

“La nostra misurazione ci permette di sbirciare al suo interno. Forse un giorno troveremo un modo per guardare indietro fino al Big Bang. Questo è il nostro obiettivo finale“.

Un documento collaborativo intitolato “Una determinazione dei raggi gamma della storia della formazione stellare dell’Universo” è stato pubblicato sulla rivista Science e descrive i risultati e le ramificazioni del nuovo processo di misurazione del team di Clemson.