LO STUDIO SU SCIENCE FIRMATO DA ALBERTO RORAI

Svelare la grana del cosmo? È un gioco di coppia

Ci sono volute settimane di supercalcolo, un algoritmo d’intelligenza artificiale, venticinque rarissime coppie di quasar e un giovane cosmologo originario di San Daniele del Friuli, ora ricercatore postdoc a Cambridge, per osservare in dettaglio le increspature del mezzo intergalattico

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Misurata per la prima volta la struttura a piccola scala del mezzo intergalattico utilizzando coppie di quasar. Il risultato è di quelli importanti. È appena stato pubblicato su Science. E il primo autore è Alberto Rorai, giovane astrofisico postdoc nato a San Daniele del Friuli (sì, quella dei prosciutti…), laurea a Pisa, dottorato in Germania al Max Planck, ora ricercatore all’Università di Cambridge, nel Regno Unito. Un risultato importante, dicevamo. Ora proveremo a capire perché.

Partiamo dal mezzo intergalattico, lo spazio rarefatto tra una galassia e l’altra. Rarefatto in modo inimmaginabile. Parliamo di un atomo per metro cubo. Regioni d’universo, dunque, miliardi di volte più vuote del vuoto più spinto mai ottenuto sulla Terra: all’interno dell’anello di Lhc al Cern di Ginevra, per dire, anche dopo aver tolto tutto il possibile rimangono comunque circa tre milioni di molecole per centimetro cubo. Ebbene, per la loro misura, Rorai e colleghi hanno dovuto osservare le righe di assorbimento (righe note come Lyman-alpha forest) di quegli atomi d’idrogeno rari al limite dell’impossibile. «Ma la luce che noi studiamo ha attraversato volumi d’universo talmente grandi, ha compiuto un percorso talmente lungo che, nonostante la densità così bassa, ha incontrato atomi a sufficienza per provocare questo assorbimento», spiega Rorai a Media Inaf.

Luce proveniente da quasar: galassie remote con un buco nero supermassiccio nel cuore in fase di iperattività, e dunque di iperemissione luminosa. Perfetti per “retroilluminare” quel che c’è fra noi e loro. In questo caso, appunto, l’impalpabile tela cosmica che permea il mezzo intergalattico. Ma non quasar normali: ciò di cui Rorai e colleghi avevano bisogno erano coppie di quasar. Ora, proprio perché legati alla fase di iperattività, già i singoli quasar sono relativamente rari. Trovarli in coppia, poi… «È stato come cercare aghi in un pagliaio», ricorda uno dei coautori dello studio, Joseph Hennawi di Uc Santa Barbara (Stati Uniti), che per racimolarne a sufficienza ha dovuto sviluppare un metodo di machine learning. «Abbiamo passato al setaccio immagini astronomiche con miliardi di oggetti celesti, ognuno dei quali milioni di volte più tenue di quanto si possa vedere a occhio nudo». Dopo settimane di supercalcolo (un normale pc avrebbe impiegato mille anni), nella rete erano rimaste impigliate 25 coppie di quasar adatte allo scopo.

I due spettri di una coppia di quasar usata nello studio. Le lievi differenze nelle caratteristiche delle righe di assorbimento tra le due linee di vista consentono ai ricercatori di studiare la struttura a piccola scala della tela cosmica. Crediti: Rorai et al. / MPIA

Ma perché servono proprio a coppie? «Siccome i due quasar di ogni coppia sono leggermente separati, diciamo di un centinaio di kiloparsec [ndr: circa 300-350mila anni luce], il campo di densità che incontrano», dice Rorai, «è anch’esso leggermente diverso. Nel senso che la loro luce, per giungere a noi, attraversa zone dell’universo vicine ma con densità leggermente diverse. Noi eravamo interessati a capire quanto diverse». Ed è quindi proprio in quel “leggermente” la ragione per preferire le coppie – sorgenti vicinissime (in termini cosmici) l’una all’altra – ai singoli quasar, che essendo invece molto distanti fra loro non avrebbero consentito di raggiungere la risoluzione desiderata: appunto nell’ordine delle centinaia di kiloparsec. «Noi vogliamo vedere la correlazione del campo di densità su piccole scale, scale comparabili esattamente alla separazione delle linee di vista di queste coppie di quasar», aggiunge infatti Rorai.

Alberto Rorai

Come mai questo interesse per le differenze – leggere increspature – nel campo di densità del mezzo interstellare? «Il big bang ha prodotto onde di densità su scale assai diverse, da molto grandi a molto piccole. Le prime galassie, però, hanno scaldato il mezzo intergalattico, e le increspature più piccole sono state cancellate dalle conseguenti onde di pressione», spiega Rorai. «Noi abbiamo cercato di capire a che scala sono state distrutte, e fino a che scala si possono ancora vedere. Questo ci fornisce informazioni su quanto calore è stato immesso nel mezzo intergalattico dalle prime galassie, e anche su quando ciò è avvenuto».

E proprio il quando è un parametro cruciale, perché consente ai cosmologi di indagare e delimitare sempre meglio quel processo noto come reionizzazione: l’epoca in cui la radiazione emessa dalle prime sorgenti ha strappato gli elettroni agli atomi di idrogeno neutro, trasformandoli in ioni. Epoca sui cui confini temporali, così come sui meccanismi esatti all’origine del processo di reionizzazione, c’è ancora incertezza.

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