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La nascita della luce nell’universo

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Tredici miliardi di anni fa il nostro universo era oscuro. Non c’erano né stelle né galassie; c’era rimasto solo idrogeno dopo il Big Bang. Alla fine gli atomi di idrogeno iniziarono a raggrupparsi per formare le stelle – le prime ad esistere – iniziando una fase importante nell’evoluzione dell’universo, nota come Epoca della Reionizzazione o EoR.

Definire l’evoluzione dell’Eor è estremamente importante per la nostra comprensione dell’astrofisica e della cosmologia“, afferma Nichole Barry, “e lo faremo con ASTRO 3-D, su un segnale che ha viaggiato attraverso l’Universo per 12 miliardi di anni, avvicinandoci alla comprensione della vita e morte delle primissime stelle”.

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Finora, però, nessuno è stato in grado di osservarlo“, spiega la Barry dell’Università di Melbourne e l’ARC Center of Excellence per All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3-D). “Questi risultati ci avvicinano molto più a questo obiettivo“.

Nell’immagine dell’epoca della reionizzazione mostrata qui sotto, l’idrogeno neutro, in rosso, viene gradualmente ionizzato dalle prime stelle, mostrate in bianco. L’immagine è stata realizzata dal programma di reionizzazione e galassia osservabili della Dark-age dell’Università di Melbourne grazie al programma DRAGONS (Numerical Simulation). (Paul Geil e Simon Mutch)

Da quel momento, 12 miliardi di anni fa, tutta l’energia mai irradiata da tutte le stelle che siano mai esistite è ancora con noi, riempiendo l’universo di una specie di nebbia, un mare di fotoni noto come luce di sfondo extragalattica.

Gli astrofisici credono che il nostro universo, che ha circa 13,7 miliardi di anni, abbia iniziato a formare le prime stelle quando aveva poche centinaia di milioni di anni. Da allora, l’universo è diventato una macchina produttrice di stelle.

Luce dell’universo osservabile

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 – contiene almeno due trilioni di galassie e un trilione di miliardi di stelle“, ha osservato Dennis Overbye sul New York Times, un astrofisico non coinvolto nello studio ASTRO 3-D. “La maggior parte di queste stelle e galassie sono troppo lontane e troppo deboli per essere viste con qualsiasi telescopio da noi costruito“.

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Il 6 dicembre 2018, The Galaxy ha riferito che tutta la luce nell’universo osservabile fornisce la stessa illuminazione di una lampadina da 60 watt vista da 2,5 miglia di distanza.

L’epoca della rionizzazione è il periodo di miliardi di anni dopo la condensazione dell’idrogeno nelle prime stelle, iniziato forse 100 milioni di anni dopo il Big Bang, attraverso l’accensione di stelle e galassie in tutto l’universo. Questi primi brillanti oggetti inondarono l’universo di luce ultravioletta che divideva o ionizzava tutti gli atomi di idrogeno tra le galassie in protoni ed elettroni creando l’universo che vediamo oggi.

In un articolo apparso sul sito di prestampa arXiv e che sarà presto pubblicato sull’Astrophysical Journal, un team guidato dalla Barry, riporta un miglioramento di 10 volte sui dati raccolti dal Murchison Widefield Array (MWA), 4096 antenne dipolari collocate nel remoto entroterra dell’Australia occidentale.

Il MWA, che ha iniziato a funzionare nel 2013, è stato costruito appositamente per rilevare le radiazioni elettromagnetiche emesse dall’idrogeno neutro, un gas che comprendeva la maggior parte dell’universo primordiale nel periodo in cui la zuppa di protoni e neutroni disconnessi generati dal Big Bang iniziò a raffreddarsi .

L’idrogeno neutro che dominava lo spazio e il tempo prima e nel primo periodo dell’EdR si irradiava a una lunghezza d’onda di circa 21 centimetri. Allungato ora da qualche parte sopra i due metri a causa dell’espansione dell’Universo, il segnale persiste – e rilevarlo rimane il modo migliore teoricamente per sondare le condizioni del cosmo nei suoi primi giorni.

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Il segnale nascosto

Farlo, tuttavia, è diabolicamente difficile. “Il segnale che stiamo cercando ha più di 12 miliardi di anni“, spiega Cathryn Trott, membro e co-autore della ASTRO 3-D, dell’International Center for Radio Astronomy Research presso la Curtin University nell’Australia occidentale.

È eccezionalmente debole e ci sono molte altre galassie tra lui e noi. Si intromettono e rendono molto difficile l’estrazione delle informazioni che stiamo cercando”. In altre parole, i segnali registrati dal MWA e dagli altri dispositivi di caccia EoR, sono estremamente disordinati.

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Usando 21 ore di dati grezzi, il dott. Barry, co-autore insieme a Mike Wilensky, dell’Università di Washington negli Stati Uniti, e colleghi hanno esplorato nuove tecniche per perfezionare l’analisi ed escludere fonti coerenti con la contaminazione del segnale, tra cui interferenze le ultra deboli generate dalle radio trasmissioni sulla Terra.

Il risultato ottenuto ha raggiunto un livello di precisione che ha ridotto in modo significativo la gamma in cui l’Eor potrebbe essere iniziato, limitando i vincoli di quasi un ordine di grandezza. “Non possiamo davvero dire che questo documento ci avvicina alla datazione precisa dell’inizio o della fine dell’EdR, ma esclude alcuni dei modelli più estremi“, afferma il professor Trott. “Che sia successo molto rapidamente è ora escluso. Che ora le condizioni fossero molto fredde è ora escluso”.

Il dottor Barry ha affermato che i risultati non rappresentano solo un passo avanti nella ricerca globale per esplorare l’universo primordiale, ma hanno anche creato un quadro per ulteriori ricerche.

Abbiamo circa 3000 ore di dati registrati da MWA“, spiega, “e per i nostri scopi alcuni di essi sono più utili di altri. Questo approccio ci consentirà di identificare quali bit sono i più promettenti e di analizzarli meglio di quanto potremmo mai fare prima.

Fonte: The New York Times.

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