L’universo nasconde ancora molti misteri, soprattutto riguardo alle sue origini e alla sua evoluzione. Tra le domande più affascinanti che gli scienziati si pongono c’è quella di come e quando si sono formati i primi oggetti celesti, come le stelle e i buchi neri, e l’Einstein Telescope potrebbe aiutare in questo ambito.
Per cercare di rispondere a questa domanda, occorre andare indietro nel tempo, fino a raggiungere l’epoca in cui l’universo era ancora giovane e oscuro, prima che le prime stelle illuminassero il cielo, questa epoca è chiamata alba cosmica, ed è una delle frontiere più sfidanti dell’astronomia moderna.
Cos’è l’alba cosmica?
L’alba cosmica è il periodo della storia dell’universo in cui si sono formate le prime stelle e le prime galassie e si stima che questo periodo sia iniziato circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’universo aveva una temperatura di circa 60 Kelvin e una densità di circa 10^-22 grammi per centimetro cubo.
In queste condizioni, l’idrogeno e l’elio, gli elementi più abbondanti nell’universo, hanno iniziato a condensarsi sotto l’effetto della gravità, formando le prime strutture cosmiche, chiamate aloni di materia oscura. Questi aloni erano composti da una forma sconosciuta di materia che non interagisce con la luce, ma solo con la gravità, e che costituisce circa il 27% della massa-energia dell’universo.
All’interno di questi aloni, la materia ordinaria ha subito ulteriori processi di condensazione e raffreddamento, dando origine alle prime stelle, le quali erano molto diverse da quelle che osserviamo oggi: erano molto più grandi, più luminose, più calde e più massicce. Si pensa che alcune di queste stelle potessero avere una massa superiore a 300 volte quella del Sole, e una vita molto breve, dell’ordine di pochi milioni di anni.
Al termine della loro esistenza, queste stelle esplodevano in violenti fenomeni chiamati supernove, che rilasciavano enormi quantità di energia e di elementi pesanti, arricchendo il mezzo interstellare e favorendo la formazione di nuove generazioni di stelle.
Le prime stelle hanno avuto un ruolo fondamentale nella trasformazione dell’universo, perché hanno prodotto la prima luce e hanno innescato la prima ionizzazione dell’idrogeno, effettivamente prima dell’alba cosmica, l’universo era permeato da una nebbia di idrogeno neutro, che assorbiva la radiazione elettromagnetica e rendeva l’universo opaco.
Le prime stelle, con la loro intensa radiazione ultravioletta, hanno strappato gli elettroni agli atomi di idrogeno, rendendoli ionizzati e trasparenti, con questo processo che è chiamato reionizzazione, ed è terminato circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, quando l’universo è diventato completamente ionizzato e trasparente, come lo conosciamo oggi.
Come possiamo osservare l’alba cosmica?
Osservare l’alba cosmica è una sfida molto difficile, perché richiede di superare due ostacoli principali: la grande distanza e la bassa luminosità.
La grande distanza implica che la luce proveniente dalle prime stelle e dalle prime galassie ha impiegato molto tempo per raggiungerci, e quindi ci mostra l’universo com’era molto tempo fa, per esempio, la luce proveniente dalla galassia più lontana mai osservata, chiamata GN-z11, ha impiegato circa 13,4 miliardi di anni per arrivare fino a noi, e quindi ci mostra la galassia com’era quando l’universo aveva solo 400 milioni di anni.
Questo significa che per osservare l’alba cosmica dobbiamo guardare molto indietro nel tempo, e quindi molto lontano nello spazio.
La bassa luminosità implica che la luce proveniente dalle prime stelle e dalle prime galassie è molto debole, e quindi difficile da rilevare, questo perché la luce subisce un fenomeno chiamato redshift, che consiste nella diminuzione della sua frequenza e della sua energia a causa dell’espansione dell’universo.
Più la sorgente luminosa è lontana, più il suo redshift è elevato, e quindi più la sua luce è spostata verso il rosso dello spettro elettromagnetico, per esempio, la luce proveniente dalla galassia GN-z11 ha un redshift di circa 11,1, il che significa che la sua lunghezza d’onda è aumentata di oltre 10 volte rispetto a quando è stata emessa. Questo significa che per osservare l’alba cosmica dobbiamo usare strumenti in grado di rilevare la luce a lunghezze d’onda molto elevate, come l’infrarosso o le onde radio.
Per superare questi ostacoli, gli astronomi stanno sviluppando nuove tecniche e nuovi strumenti, sia a terra che nello spazio, che possano ampliare le nostre capacità di osservazione e di comprensione dell’universo primordiale, e tra questi strumenti, uno dei più promettenti è l’Einstein Telescope, il futuro rivelatore di onde gravitazionali che l’Italia si candida a ospitare in Sardegna, nell’area della miniera dismessa di Sos Enattos.
Cos’è l’Einstein Telescope?
L’Einstein Telescope è un progetto europeo che mira a realizzare il più grande e il più sensibile osservatorio di onde gravitazionali mai costruito.
Le onde gravitazionali sono delle oscillazioni dello spazio-tempo prodotte da eventi violenti e cataclismici che coinvolgono oggetti molto massicci e accelerati, come le fusioni di buchi neri o di stelle di neutroni, queste onde si propagano alla velocità della luce, ma sono molto deboli e difficili da rilevare.
Per farlo, si usano degli strumenti chiamati interferometri, che misurano le variazioni infinitesime della lunghezza dei bracci di un laser causate dal passaggio di un’onda gravitazionale.
L’Einstein Telescope sarà costituito da tre interferometri sotterranei, disposti a formare un triangolo equilatero, con una lunghezza di 10 chilometri per ogni braccio. Questa configurazione permetterà di avere una sensibilità molto elevata e di coprire una vasta gamma di frequenze, da 1 a 10.000 Hertz.
In questo modo, l’Einstein Telescope sarà in grado di rilevare le onde gravitazionali prodotte da una varietà di sorgenti, tra cui le fusioni di buchi neri e di stelle di neutroni, le esplosioni di supernove, i buchi neri primordiali e le onde gravitazionali di fondo.
Perché l’Einstein Telescope è importante per capire l’alba cosmica?
L’Einstein Telescope è importante per l’alba cosmica perché potrà osservare le onde gravitazionali prodotte dai primi buchi neri dell’universo, e quindi fornire informazioni preziose sulla loro origine e sulla loro evoluzione.
Una delle questioni più aperte e intriganti dell’astronomia è quella di sapere se i buchi neri siano esistiti fin dall’inizio dell’universo, o se si siano formati successivamente dal collasso di stelle massicce. In altre parole, si tratta di capire se ci siano stati dei buchi neri primordiali, nati da fluttuazioni della densità dell’universo poco dopo il Big Bang, o se tutti i buchi neri siano di origine stellare.
L’Einstein Telescope potrà aiutare a risolvere questo dilemma, perché potrà rilevare le onde gravitazionali prodotte dalle fusioni di buchi neri primordiali, se esistono, e distinguerle da quelle prodotte da buchi neri stellari.
Questo perché i buchi neri primordiali avrebbero una massa e una rotazione diverse da quelle dei buchi neri stellari, e quindi produrrebbero delle onde gravitazionali con caratteristiche diverse. Inoltre, i buchi neri primordiali si sarebbero formati in epoche molto remote, quando l’universo era ancora molto denso, e quindi avrebbero subito delle interazioni con la materia e la radiazione circostanti, che avrebbero lasciato delle impronte sulle onde gravitazionali.
L’Einstein Telescope potrà quindi scrutare l’universo primordiale e cercare le tracce dei primi buchi neri, che potrebbero essere i semi delle prime galassie e dei primi quasar, in questo modo, potremo capire meglio come si è formata e strutturata la materia nell’universo, e quali sono stati i processi fisici che hanno guidato la sua evoluzione.
Potremo anche testare le teorie cosmologiche e le leggi della fisica in condizioni estreme, e forse scoprire nuovi fenomeni e nuove particelle.
La sfida dell’Einstein Telescope
L’Einstein Telescope è un progetto ambizioso e innovativo, che richiede una grande collaborazione internazionale e un forte impegno scientifico e tecnologico. Il costo stimato per la sua realizzazione è di circa 1,9 miliardi di euro, e il suo funzionamento richiederà una manutenzione costante e un’alta qualità dei dati.
Per questo motivo, è fondamentale scegliere una sede adeguata per ospitare questo strumento, che possa garantire le migliori condizioni ambientali e logistiche.
L’Italia si candida a ospitare l’Einstein Telescope in Sardegna, nell’area della miniera dismessa di Sos Enattos, nel comune di Lula. Questa località offre diversi vantaggi, tra cui una bassa sismicità, una buona stabilità geologica, una ridotta interferenza elettromagnetica, una vicinanza al mare e una disponibilità di infrastrutture e di personale qualificato.
Inoltre, la Sardegna ha una lunga tradizione di ricerca astronomica, con la presenza di importanti osservatori e centri di eccellenza, come il Sardinia Radio Telescope, il Nuraghe, l’Osservatorio Astronomico di Cagliari e il Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze Fisiche della Materia.
La candidatura italiana è sostenuta dal Ministero dell’Università e della Ricerca, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, dal Consiglio Nazionale delle Ricerche, dall’Agenzia Spaziale Italiana, dalla Regione Sardegna e da numerose università e istituzioni scientifiche.
La candidatura italiana è in competizione con altre due candidature europee, quella belga-olandese e quella spagnola, e la decisione finale sarà presa entro il 2024, dopo una valutazione tecnica e scientifica da parte di un comitato internazionale.
L’Einstein Telescope rappresenta una grande opportunità per l’Italia e per la Sardegna, non solo dal punto di vista scientifico, ma anche dal punto di vista economico, sociale e culturale, con l’Einstein Telescope che è uno strumento fondamentale per l’astronomia multimessaggera, che combina le osservazioni di onde gravitazionali con quelle di altre forme di radiazione, come la luce, i raggi X, i raggi gamma e le onde radio.
Questa combinazione permette di avere una visione più completa e dettagliata dei fenomeni cosmici, e di rispondere a domande fondamentali sulla natura e sull’origine dell’universo.
Tra queste domande, una delle più affascinanti è quella di come e quando si sono formate le prime stelle e i primi buchi neri, che hanno segnato l’inizio dell’alba cosmica. Questa epoca è una delle più misteriose e sfidanti dell’astronomia, perché richiede di superare la grande distanza e la bassa luminosità delle sorgenti primordiali.
L’Einstein Telescope potrà superare questi ostacoli, grazie alla sua elevata sensibilità e alla sua ampia banda di frequenza, che gli consentiranno di rilevare le onde gravitazionali prodotte dai primi buchi neri dell’universo, sia primordiali che stellari.
In questo modo, l’Einstein Telescope potrà scrutare oltre l’alba cosmica, e ascoltare i deboli vagiti dell’universo primordiale, che ci raccontano la sua storia e la sua evoluzione. L’Einstein Telescope sarà quindi una finestra unica sull’universo oscuro, che ci permetterà di scoprire i suoi segreti e le sue meraviglie.
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