Un debolissimo segnale radio, emesso circa 4,5 miliardi di anni fa, offre una nuova strada per ricostruire la struttura dell’universo. La sua rilevazione è al centro dello studio appena pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Lo studio è il risultato del lavoro di ricerca della collaborazione internazionale MeerKlass che, grazie al radiotelescopio MeerKat, in Sudafrica, ha misurato come l’idrogeno neutro si distribuisce su grandi scale, tracciando la rete cosmica lungo la quale si organizzano le galassie. Forte il contributo italiano nel rendere possibile questa misura, con Matilde Barberi-Squarotti (Università Statale di Milano), Stefano Camera (Università di Torino) e Isabella Paola Carucci (Istituto nazionale di astrofisica – Osservatorio astronomico di Trieste) tra le autrici e gli autori dello studio.
Antenne del radiotelescopio sudafricano MeerKat. Crediti: E. Sacchetti/Inaf
L’obiettivo del gruppo di ricerca è, in prospettiva, costruire mappe tridimensionali di enormi volumi del cosmo, capaci di raccontare come le strutture si sono formate e come l’universo si è espanso nel tempo. Queste mappe potranno fornire nuovi strumenti per mettere alla prova i modelli di gravità e di energia oscura.
Misurare la luce radio di molte galassie
«L’idrogeno, l’elemento più abbondante dell’universo, emette un caratteristico segnale radio alla lunghezza d’onda di 21 centimetri. L’espansione cosmica modifica la lunghezza d’onda del segnale durante il suo viaggio: misurarla consente quindi di ottenere informazioni sulla distanza e sull’epoca di origine», spiega Camera. La tecnica utilizzata, chiamata intensity mapping, raccoglie l’emissione complessiva dell’idrogeno di molte galassie, anche quando i singoli oggetti non sono distinguibili. È un modo per ricostruire il disegno generale della distribuzione della materia, estendendo lo sguardo a regioni vastissime. Lo studio ha analizzato osservazioni raccolte nel 2021 su circa 236 gradi quadrati di cielo. Il segnale risale a quando l’universo aveva poco più di nove miliardi di anni.
Isolare il segnale dell’idrogeno
«Catturiamo l’intera radiazione radio in arrivo, che comprende anche fonti spurie, come il fondo radio emesso dalla nostra Via Lattea. Rimuovere le contaminazioni, che possono superare il segnale cosmico ricercato di centomila o persino di un milione di volte, è un’impresa complessa», commenta Carucci. «È come cercare di ascoltare una conversazione sussurrata durante un concerto».
Per riuscirci, i ricercatori hanno utilizzato le 64 antenne di MeerKat come telescopi indipendenti, una modalità adatta a osservare rapidamente ampie porzioni di cielo. «Abbiamo confrontato mappe costruite con gruppi diversi di antenne e osservazioni effettuate in momenti differenti: il segnale cosmico è comune alle mappe, mentre il rumore e gli effetti strumentali non condivisi vengono ridotti», spiega Barberi-Squarotti. L’analisi ha raggiunto un rapporto tra segnale e rumore di 6,2 e ha superato una serie di verifiche di robustezza. Un elemento distintivo è che la misura è stata ottenuta dalle sole mappe radio dell’idrogeno, senza ricorrere al confronto con cataloghi esterni di galassie. Questo passaggio rafforza le prospettive di utilizzo della tecnica come strumento autonomo per la cosmologia.
«Questo risultato», dice Mário Santos (Università del Capo Occidentale, Sudafrica), responsabile scientifico del progetto MeerKlass, «rappresenta una pietra miliare nell’affermazione della mappatura d’intensità a 21 centimetri come nuovo strumento per la cosmologia. Questa misura ha richiesto dieci anni di lavoro paziente da parte di ricercatori distribuiti in sette paesi e tre continenti. Molti di loro sono giovani scienziati che hanno dedicato a questo progetto l’intera carriera scientifica fino a oggi. Un risultato così ambizioso richiede un lavoro di squadra autentico e continuativo da parte di molte persone. E nulla di tutto questo sarebbe stato possibile senza il South African Radio Astronomy Observatory (Sarao), che ha costruito e gestisce MeerKat e ci ha aiutato ad affrontare le numerose difficoltà incontrate durante il progetto. È un’ulteriore dimostrazione di quanto la scienza di questo livello sia il frutto di un grande sforzo collettivo».
Il programma prosegue ora con la raccolta di dati che consentiranno di osservare epoche ancora più lontane, con l’obiettivo di esplorare un volume dell’universo oltre mille volte superiore a quello utilizzato per questa misura. Il lavoro prepara inoltre il terreno per le future indagini cosmologiche dello Ska Observatory, di cui MeerKat è un precursore.
Per saperne di più:
- Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “HI intensity mapping with MeerKAT: A measurement of the 21-cm auto-spectrum on cosmological scales”, di MeerKLASS Collaboration, Matilde Barberi-Squarotti, José L. Bernal, Philip Bull, Stefano Camera, Isabella P. Carucci, Zhaoting Chen, Steven Cunnington, Brandon N. Engelbrecht, José Fonseca, Keith Grainge, Wenkai Hu, Melis O. Irfan, Yichao Li, Mário G. Santos, Marta Spinelli, Jingying Wang, Amadeus Witzemann e Laura Wolz