Il radiotelescopio Hera, in Sudafrica. Crediti: Dara Storer
È l’elemento più abbondante nell’universo, il primo a formarsi dopo il Big Bang e quello che, nelle fornaci stellari, viene trasformato in elio generando energia e permettendo alle stelle di brillare per la maggior parte della loro vita. Parliamo dell’idrogeno, che permea il cosmo sin da prima che ci fossero stelle e galassie, e la cui distribuzione – specie nel primo miliardo di anni di storia dell’universo – racchiude importanti indizi per studiare la formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche.
Tracciare l’emissione dell’idrogeno nell’epoca in cui fecero capolino le prime stelle e galassie nella storia dell’universo è l’obiettivo di Hera, lo Hydrogen Epoch of Reionization Array, un radiotelescopio precursore dell’osservatorio Ska che si trova nel deserto del Karoo, in Sudafrica e del quale sono recentemente apparsi i primi risultati scientifici, pubblicati in due articoli su The Astrophysical Journal.
Facciamo un passo indietro. L’idrogeno è l’elemento più semplice che conosciamo, il primo quadratino nella tavola periodica, in alto a sinistra. Contiene infatti un nucleo formato da un protone, a volte solitario e altre in compagnia di uno o talvolta due neutroni, e un elettrone: in questa configurazione, si parla di atomi di idrogeno neutro. Quando compare sulla scena cosmica, pochi minuti dopo il Big Bang, l’idrogeno è invece in quello stato che gli scienziati chiamano ionizzato, ovvero consiste del solo nucleo, privo del caratteristico elettrone che rende l’atomo neutro.
Avanti veloce di quasi 400mila anni, nel cosmo primordiale – che nel frattempo si sta espandendo – finalmente i nuclei di idrogeno (insieme a quelli di elio, che pure erano presenti in quell’epoca) riescono a unirsi agli elettroni. L’idrogeno diventa neutro, proprio come l’atomo del primo quadratino della tavola periodica. Ma non è destinato a restarlo a lungo.
L’evoluzione cosmica continua: pian piano, nel primo centinaio di milioni di anni, intorno ai grumi primordiali di gas – ovvero il miscuglio di idrogeno ed elio di cui parlavamo poc’anzi – inizia ad addensarsi sempre più gas, finché non si innescano le reazioni nucleari che trasformano l’idrogeno in elio, dando vita alla prima generazione di stelle e galassie. Ed è proprio la radiazione prodotta da queste prime stelle che, interagendo con gli atomi di idrogeno diffuso negli spazi tra una galassia e l’altra, li priva un’altra volta dell’elettrone, ionizzando praticamente tutto l’idrogeno intergalattico dell’universo prima che questo raggiunga il suo primo miliardo d’anni di età.
Visualizzazione schematica delle tappe principali dal Big Bang. L’universo è composto da gas neutro fino a circa 400mila anni dopo il Big Bang. La radiazione delle prime stelle inizia a re-ionizzare l’idrogeno: dopo diverse centinaia di milioni di anni, l’universo è completamente ionizzato. Crediti: Osservatorio astronomico nazionale del Giappone (Naoj)
Questa fase, chiamata reionizzazione, è cruciale per comprendere a fondo come sono nate e si sono evolute le prime stelle e galassie. Gli astronomi sanno piuttosto bene quando è finita, non altrettanto quando è iniziata, e altri gli aspetti della reionizzazione restano ancora alquanto nebulosi, come i corpi celesti che ne furono i principali responsabili e i dettagli dei processi fisici coinvolti. È qui che entrano in gioco le osservazioni di Hera, telescopio dedicato a mappare la struttura cosmica su grande scala prima e durante l’epoca della reionizzazione.
«L’idrogeno neutro emette una riga che, in un sistema di riferimento a riposo, in laboratorio, ha una lunghezza d’onda di 21 centimetri, quindi nelle onde radio, ed è osservatissima, sia nella nostra galassia che nelle galassie vicine», spiega a Media Inaf Gianni Bernardi, ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica a Bologna, coinvolto nel progetto Hera e tra i co-autori dei due nuovi articoli. «A distanze cosmologiche, l’idrogeno neutro è il tracciante ideale del mezzo intergalattico».
Gli atomi di idrogeno neutro emettono questa radiazione, che gli scienziati chiamano “riga” poiché è tutta concentrata intorno a una singola lunghezza d’onda, a seguito di una transizione energetica del loro elettrone. Una volta ionizzato, invece, l’idrogeno non emette più questa riga: le osservazioni alla lunghezza d’onda di 21 cm permettono così di sondare il grado di ionizzazione dell’idrogeno interstellare e intergalattico. È stato così che si è scoperta per la prima volta, negli anni Cinquanta del Novecento, la struttura a spirale della nostra galassia, la Via Lattea. Per scovare l’idrogeno neutro molto lontano, andando a ritroso nella storia cosmica fino al primo miliardo di anni dell’universo, bisogna tuttavia osservare a lunghezze d’onda ben maggiori – da un metro e mezzo in su – poiché la lunghezza d’onda della radiazione aumenta a causa dell’espansione cosmica.
Vista dall’alto dei precursori del progetto Ska nel deserto del Karoo, in Sudafrica: al centro, il radiotelescopio Hera; nell’angolo in alto a destra, il radiotelescopio MeerKat. Crediti: Ska South Africa
«Si può anche andare a fare la tomografia», aggiunge Bernardi, spiegando come le osservazioni effettuate in una serie di lunghezze d’onda crescenti siano sensibili alla stessa riga di emissione proveniente da nubi di idrogeno a distanze da noi sempre maggiori, quindi sempre più indietro nella storia dell’universo.
Lo scopo è quello di tracciare la distribuzione dell’idrogeno attraverso il contrasto tra le regioni neutre, che emettono la riga, e quelle ionizzate, che non la emettono, per svelare finalmente l’evoluzione temporale della reionizzazione cosmica. «Più vai indietro [nel tempo] e più questo contrasto diminuisce, finché non ci sono più regioni ionizzate», chiarisce il ricercatore, «perché non si sono ancora formate abbastanza galassie con un numero sufficiente di stelle per produrre una quantità sufficiente di radiazione ultravioletta ionizzante da ionizzare il mezzo intergalattico circostante».
Con questo primo set di dati, raccolti da Hera nelle lunghezze d’onda tra circa 1,5 e 3 metri (ovvero tra 100 e 200 MHz, per chi preferisce le frequenze) nel corso di 18 giorni a dicembre 2017, il team di ricerca internazionale è riuscito a porre dei vincoli sul segnale proveniente dall’idrogeno neutro in due momenti precisi: quando l’universo aveva rispettivamente circa 770 e circa 480 milioni di anni.
Misurare l’intensità di questa emissione durante l’epoca della reionizzazione significa misurare la temperatura del gas intergalattico. Per il momento, i dati non permettono di effettuare una misura vera e propria ma solo di porre un limite superiore alla temperatura dell’idrogeno neutro nel mezzo intergalattico 770 milioni di anni dopo il Big Bang, che doveva essere di almeno 27 gradi sopra lo zero assoluto. Questa informazione consente già di identificare le sorgenti astronomiche che hanno contribuito a riscaldare il gas – un ulteriore passo avanti rispetto ai risultati ottenuti un paio di anni fa usando il Murchison Widefield Array, un altro precursore del progetto Ska, in Australia.
I membri della collaborazione Hera a Tempe, Arizona, nel 2019. Crediti: Hera team
«Ogni nuova osservazione aggiunge un tassello al puzzle che stiamo cercando di risolvere e le osservazioni di Hera sono il pezzo che riguarda il riscaldamento dell’universo», dice a Media Inaf Andrei Mesinger della Scuola Normale Superiore di Pisa, membro della collaborazione Hera e co-autore dei nuovi articoli, che insieme al suo team in Italia sta sviluppando la pipeline di interpretazione teorica dei dati. «Sappiamo da altre osservazioni che in quel periodo doveva essere in corso la reionizzazione cosmica: se il gas intergalattico fosse stato freddo durante questo processo, il segnale corrispondente alla riga di 21 cm sarebbe stato molto forte. Pertanto, i limiti superiori di Hera su questo segnale sono stati in grado di escludere modelli che implicano un riscaldamento debole del gas intergalattico».
In quella epoca cosmica, la principale fonte di energia in grado di riscaldare il gas intergalattico erano i raggi X provenienti dalle prime galassie, molto probabilmente dalla loro popolazione di binarie a raggi X – sistemi binari in cui una stella orbita attorno a un oggetto compatto, residuo di una stella già morta, come ad esempio una stella di neutroni o un buco nero, che ne risucchia parte della massa. I dati di Hera indicano che, per aver riscaldato il gas ai livelli osservati, queste prime galassie dovevano essere considerevolmente più brillanti nei raggi X rispetto a quelle che osserviamo oggi, suggerendo che fossero popolate da binarie a raggi X molto diverse rispetto a quelle attuali.
Il progetto Hera è solo all’inizio: questi primi risultati sono basati su osservazioni realizzate con 39 delle 52 antenne che formano oggi l’array. In futuro, Hera potrà contare su ben 350 antenne, raggiungendo una sensibilità molto maggiore – aspetto cruciale per un campo di studi in cui il segnale di interesse, risalente a epoche cosmiche primordiali, è sommerso dietro a un “rumore” che lo supera fino a due o tre volte in intensità, prodotto dal gas nella Via Lattea e nelle galassie a noi vicine.
«Uno dei lavori in corso su Hera è l’upgrade dei ricevitori del telescopio e prevede l’aggiunta di almeno altre due bande, che saranno molto importanti per andare a misurare la temperatura del mezzo intergalattico prima che la reionizzazione sia in corso ma anche per realizzare una misura della reionizzazione stessa», aggiunge Bernardi. «Lo studio dell’alba cosmica e della successiva epoca della reionizzazione con sensibilità ancora maggiore è poi uno degli obiettivi scientifici principali della componente a più basse frequenze del progetto Ska».
Studiare le prime popolazioni stellari dell’universo è tra gli obiettivi anche del telescopio spaziale James Webb (Jwst), il cui inizio delle operazioni scientifiche è previsto in estate. Le osservazioni di Jwst saranno però limitate ad alcune galassie tra le più luminose presenti agli albori del cosmo. «La maggior parte delle prime galassie è troppo debole per essere osservata direttamente e dobbiamo studiarle attraverso i pattern che la loro radiazione lascia nel mezzo intergalattico su grande scala», commenta Mesinger. «Le osservazioni della riga di 21 cm con Hera e poi con Ska saranno rivoluzionarie, permettendoci di mappare i primi miliardi di anni del nostro universo e studiare indirettamente i primissimi oggetti. La combinazione delle osservazioni di questi strumenti disegnerà un quadro completo delle prime popolazioni di galassie».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “First Results from HERA Phase I: Upper Limits on the Epoch of Reionization 21 cm Power Spectrum” di The Hera Collaboration
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Hera Phase I Limits on the Cosmic 21 cm Signal: Constraints on Astrophysics and Cosmology during the Epoch of Reionization” di The Hera Collaboration