Tredici miliardi di anni fa il nostro universo era oscuro. Non c’erano né stelle né galassie; c’era solo l’idrogeno rimasto dopo il Big Bang. Alla fine gli atomi di idrogeno iniziarono ad aggregarsi per formare le stelle, le primissime ad esistere, dando inizio a una fase importante nell’evoluzione dell’universo, nota come Epoca della Reionizzazione, o EoR.
“L’epoca della reionizzazione”, spiega Nicole Barry, che ha studiato un segnale che ha viaggiato attraverso l’Universo per 12 miliardi di anni, portandoci più vicini alla comprensione della vita e della morte delle primissime stelle, “sarà in grado di fornire informazioni su alcuni degli ultimi misteri rimasti nell’Universo, come le origini della materia oscura e dell’energia oscura. Il segnale EoR sarà anche in grado di dirci qualcosa su come il nostro complesso Universo si è formato da un gas semplice e quasi uniforme”.
“Potrebbe anche rivelare una fisica che non ci aspettavamo. C’è una ricchezza di informazioni, sia cosmologiche che astrofisiche, che potremmo imparare dall’Epoca della Reionizzazione”.
Poco dopo il Big Bang, l’Universo era composto da un mare di plasma caldo e ioni. Durante la rapida espansione dell’Universo primordiale, i protoni e gli elettroni si sono raffreddati e si sono ricombinati in atomi e molecole neutri, un primo passo necessario nel processo di formazione stellare.
Alla fine, durante l’EoR, circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, la prima generazione di stelle ha prodotto abbastanza radiazioni e fotoni per reionizzare il gas circostante nel mezzo intergalattico.
Prima dell’EoR, non c’era alcun segnale basato sulla luce che potessimo studiare: “non c’era luce visibile“, spiega il professore di fisica dell’Università di Washington, Miguel Morales, in uno studio separato.
Questa era oscura era un’era senza stelle, un intervallo di diverse centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, durante il quale le particelle elementari si combinavano per formare l’idrogeno, ma non esistevano ancora stelle o galassie per illuminare l’Universo.
Da quel momento, tutta l’energia mai irradiata da tutte le stelle che siano mai esistite è ancora con noi, riempiendo l’universo di una sorta di nebbia, un mare di fotoni noto come luce di sfondo extragalattica (EBL).
L’Epoca della Reionizzazione è il periodo dopo il collasso del gas idrogeno nelle prime stelle, forse 100 milioni di anni dopo il Big Bang, attraverso l’accensione di stelle e galassie in tutto l’universo. Questi primi oggetti brillanti hanno inondato l’universo di luce ultravioletta che ha diviso o ionizzato tutti gli atomi di idrogeno tra le galassie in protoni ed elettroni per creare l’universo che vediamo oggi.
Il Murchison Widefield Array (MWA), una collezione di 4096 antenne a dipolo posizionato nel remoto entroterra dell’Australia occidentale, che ha iniziato a funzionare nel 2013, è stato costruito appositamente per rilevare le radiazioni elettromagnetiche emesse dall’idrogeno neutro, un gas che inondava la maggior parte dell’Universo primordiale nel periodo in cui la zuppa di protoni e neutroni sconnessi generata dal Big Bang iniziò a raffreddarsi.
L’idrogeno neutro che dominava lo spazio e il tempo prima e nel primo periodo dell’EoR si irradiava a una lunghezza d’onda di circa 21 centimetri. Esteso ora da qualche parte al di sopra dei due metri a causa dell’espansione dell’Universo, il segnale persiste e rilevarlo rimane il modo teorico migliore per sondare le condizioni nei primi giorni del Cosmo.
Il segnale nascosto
Tuttavia, farlo è diabolicamente difficile. “Il segnale che stiamo cercando ha più di 12 miliardi di anni“, spiega la professoressa associata Cathryn Trott, membro di ASTRO 3-D e co-autrice, dell’International Center for Radio Astronomy Research della Curtin University nell’Australia occidentale.
“È eccezionalmente debole e ci sono molte altre galassie tra esso e noi. Si intromettono e rendono molto difficile estrarre le informazioni che stiamo cercando“. In altre parole, i segnali registrati dall’MWA e da altri dispositivi di caccia all’EoR come l’Hydrogen Epoch of Reionization Array in Sud Africa e l’array a bassa frequenza nei Paesi Bassi, sono estremamente disordinati.
Utilizzando 21 ore di dati grezzi, il dottor Barry, il co-autore Mike Wilensky, dell’Università di Washington negli Stati Uniti, e i loro colleghi hanno esplorato nuove tecniche per perfezionare l’analisi ed escludere fonti coerenti di contaminazione del segnale, tra cui l’interferenza ultra debole generata da trasmissioni radiofoniche sulla Terra.
Il risultato è stato un livello di precisione che ha ridotto significativamente l’intervallo in cui l’EoR potrebbe essere iniziato, introducendo vincoli di quasi un ordine di grandezza. “Non possiamo davvero dire che questo documento ci avvicini alla datazione precisa dell’inizio o della fine dell’EoR, ma esclude alcuni dei modelli più estremi“, afferma il professor Trott. “Che sia successo molto rapidamente è ora escluso. Anche che le condizioni fossero molto fredde ora è escluso”.
“I due principali protagonisti nella corsa per misurare il segnale EoR sono stati storicamente l’MWA in Australia e il LOFAR nei Paesi Bassi”, spiega Barry. “Tuttavia, il nuovo array di reionizzazione dell’epoca dell’idrogeno, La collaborazione (HERA) ha recentemente pubblicato i primi limiti massimi. I primi limiti massimi EoR di HERA sono sorprendenti e siamo tutti entusiasti di dove questo porterà in futuro”.
“Questi limiti superiori provengono solo da un sottoinsieme di ciò che l’intero array sarà in grado di fornire. Ipoteticamente, questo significa che sarà facile integrarsi di più e fare ancora meglio. Non solo questi limiti superiori rappresentano un enorme miglioramento, ma hanno anche svolto un lavoro accurato per simulare tutti i modi in cui l’analisi potrebbe distorcere la misurazione“.
HERA si dedica all’osservazione di strutture su larga scala durante e prima dell’epoca della reionizzazione. HERA è uno strumento di seconda generazione che combina gli sforzi e le lezioni apprese dal Murchison Widefield Array e dal Donald C. Backer Precision Array per Probing the Epoch of Reionization.
