Alba Cosmica: uno sguardo senza precedenti alle prime stelle a 13 miliardi di anni luce

Per la prima volta nella storia dell’astronomia, i telescopi terrestri sono riusciti a penetrare le profondità del tempo cosmico, osservando l’Universo come era 13 miliardi di anni fa.

Questa straordinaria impresa ci ha permesso di scrutare il periodo in cui le primissime stelle si sono accese, illuminando le vaste oscurità che seguirono il Big Bang. Questo intervallo, avvenuto circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang, è noto come Alba Cosmica e rappresenta uno dei momenti più enigmatici e cruciali nell’intera evoluzione cosmica.

Uno sguardo senza precedenti nell’Alba Cosmica

Questa rivoluzionaria prospettiva sull’Alba Cosmica è stata resa possibile grazie al Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), un avanzato sistema di telescopi situato a elevate altitudini nel deserto di Atacama, nel Cile settentrionale. La missione primaria di CLASS consiste nell’analizzare il Fondo Cosmico a Microonde (CMB), una sorta di “fossile cosmico” che racchiude le tracce di un evento accaduto subito dopo il Big Bang.

Come sottolineato da Tobias Marriage, responsabile del team e professore di fisica e astronomia alla Johns Hopkins, raggiungere questo risultato da terra era considerato estremamente difficile. I segnali a microonde sono notoriamente complessi da rilevare, e le osservazioni da postazioni terrestri presentano ostacoli aggiuntivi rispetto a quelle spaziali. Superare queste difficoltà tecniche e ambientali rende questa misurazione un traguardo scientifico di notevole portata, aprendo nuove frontiere nella nostra comprensione dell’Universo Primordiale.

La nascita del CMB e l’era della reionizzazione

Prima di circa 380.000 anni dopo il Big Bang, l’Universo era un luogo visivamente uniforme e impenetrabile. In quel periodo, la luce non poteva viaggiare liberamente perché i fotoni erano costantemente dispersi dagli elettroni liberi, rendendo il Cosmo una nebbia opaca. Questa situazione cambiò drasticamente quando l’universo si espanse e si raffreddò a sufficienza. A quel punto, gli elettroni poterono finalmente legarsi ai protoni, formando i primi atomi neutri di idrogeno.

Improvvisamente, con la formazione degli atomi neutri, i fotoni furono liberi di viaggiare senza ostacoli attraverso il Cosmo. l’Universo passò quasi istantaneamente da opaco a trasparente, e questa “prima luce” è ciò che oggi conosciamo come Fondo Cosmico a Microonde (CMB).Tuttavia, questa trasparenza non durò per sempre. Quando si formarono le prime stelle, la loro intensa radiazione emise abbastanza energia da strappare nuovamente gli elettroni dall’idrogeno neutro. Questo processo, chiamato “reionizzazione”, fece sì che l’Universo tornasse a essere più scuro per un’epoca nota come “Età Oscura Cosmica“.

Il segnale dell’Alba Cosmica, individuato da CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor), è l’impronta digitale delle primissime stelle dell’universo, incisa nel CMB. Si manifesta come luce polarizzata a microonde, incredibilmente debole, circa un milione di volte meno intensa delle microonde cosmiche standard. Come si può immaginare, dopo aver viaggiato per oltre 13 miliardi di anni per raggiungerci, questa luce è estremamente fioca.

Tentare di rilevare questa luce polarizzata a microonde dalla Terra è un’impresa estremamente ardua. Il segnale è infatti sovrastato da una miriade di interferenze, sia naturali (come i cambiamenti atmosferici e le fluttuazioni di temperatura) sia artificiali (come onde radio, radar e segnali satellitari). Per questo motivo, tradizionalmente, questa radiazione cosmica è stata rilevata solo dallo spazio, tramite satelliti specializzati come la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA e il telescopio spaziale Planck dell’Agenzia Spaziale Europea. Tutto ciò, fino all’avvento e al successo di CLASS.

Decifrare l’Alba Cosmica: la nuova frontiera di CLASS

Il team di ricerca dietro questa innovativa scoperta ha compiuto un passo avanti significativo confrontando i dati acquisiti dal CLASS con le osservazioni preesistenti dei satelliti Planck e WMAP. Questo meticoloso confronto ha permesso loro di isolare e identificare con precisione le fonti di interferenza, concentrandosi sul debole ma cruciale segnale proveniente dalla luce polarizzata a microonde nel Fondo Cosmico a Microonde (CMB).

La polarizzazione è un fenomeno in cui le onde luminose si orientano nella stessa direzione, spesso in seguito all’interazione della luce con un oggetto. Come spiega Yunyang Li, membro del team e dottorando alla Johns Hopkins, paragonando il fenomeno al riverbero che si crea sul cofano di un’auto, la polarizzazione agisce come un “bagliore cosmico“. Questo bagliore è il risultato della luce che “rimbalza” sulla superficie dell’Alba Cosmica. Misurando questo segnale comune, gli scienziati possono distinguere quanto di ciò che osservano è effettivamente il bagliore dell’Alba Cosmica, fornendo un’immagine più chiara del Cosmo Primordiale.

L’obiettivo specifico del team con CLASS è misurare la probabilità che un fotone del CMB incontri un elettrone. Questi elettroni furono strappati dall’idrogeno neutro dalle prime stelle dell’Universo, in un processo noto come “reionizzazione“, e la loro interazione con i fotoni del CMB causa la polarizzazione.

Comprendere questo fenomeno aiuterà gli scienziati a definire con maggiore accuratezza i segnali del Fondo Cosmico a Microonde e il bagliore iniziale del Big Bang, consentendo di tracciare un quadro dettagliato del cosmo primordiale. Come afferma Charles Bennett, responsabile del team della missione spaziale WMAP, misurare con maggiore precisione il segnale di reionizzazione rappresenta una frontiera cruciale nella ricerca sul CMB. Per gli scienziati, l’universo è un immenso laboratorio di fisica, e misurazioni più precise contribuiscono ad affinare la nostra comprensione di concetti fondamentali come la materia oscura e i neutrini, particelle elusive ma estremamente abbondanti nell’Universo

La speranza è che un’analisi più approfondita dei dati di CLASS possa portare alla massima precisione possibile in queste misurazioni. Questa nuova ricerca si basa su lavori precedenti in cui CLASS ha già mappato il 75% del cielo notturno sopra la Terra, effettuando misurazioni precise della polarizzazione del CMB.

Nigel Sharp, direttore del programma presso la Divisione di Scienze Astronomiche della National Science Foundation (NSF), sostenitore di CLASS dal 2010, sottolinea come “nessun altro esperimento terrestre può fare quello che sta facendo CLASS“. Il notevole miglioramento nella misurazione del segnale di polarizzazione delle microonde cosmiche da parte del team di CLASS è una chiara testimonianza del valore scientifico generato dal supporto a lungo termine della NSF.

La ricerca m è stata pubblicata sul The Astrophysical Journal.