USATA PER STIMARE LA TEMPERATURA DELLA RADIAZIONE FOSSILE

Acqua fredda sul fondo cosmico

Un team di astronomi, di cui fa parte anche Roberto Decarli dell’Inaf di Bologna, ha trovato un metodo originale per misurare la temperatura del fondo cosmico a microonde dell’universo giovane, partendo dalla temperatura di una nube di acqua. I dati pubblicati oggi su Nature confermano il raffreddamento precoce poco dopo il Big Bang

     02/02/2022
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Usando l’interferometro Northern Extended Millimeter Array (Noema), sulle Alpi francesi, un team di astronomi guidato da Dominik Riechers dell’Università di Colonia (Germania) ha scoperto un nuovo metodo per stimare la temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde del giovane universo, a “soli” 880 milioni di anni dal Big Bang. È la prima volta che la temperatura fossile dell’energia rilasciata dal Big Bang viene misurata in un’epoca così remota dell’evoluzione dell’universo, a meno del 7 per cento della sua età attuale, stimata in 13,8 miliardi di anni. I risultati dello studio, a cui ha partecipato anche Roberto Decarli dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), vengono illustrati in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature.

La radiazione cosmica di fondo a microonde (a sinistra) è stata rilasciata 380mila anni dopo il Big Bang e funge da sfondo per tutte le galassie dell’universo. La galassia starburst Hfls3 è incorporata in una grande nuvola di vapore acqueo freddo (al centro, indicata in blu) e viene osservata 880 milioni di anni dopo il Big Bang. A causa della sua bassa temperatura, l’acqua proietta un’ombra scura sul fondo cosmico (pannello a sinistra). Crediti: Esa & Planck collaboration; D. Riechers, M. Markus

Tutto ha inizio dalla scoperta di una nuvola di acqua fredda, associata a una massiccia galassia con un elevato ritmo di formazione stellare (Hfls3) già presente nell’universo giovane, quando aveva 880 milioni  di anni. «La nuvola d’acqua proietta un’ombra sullo sfondo cosmico a microonde, che non è mai stata vista prima. L’ombra appare perché l’acqua, più fredda, assorbe la radiazione a microonde, più calda, nel suo percorso verso la Terra e la sua oscurità rivela la differenza di temperatura. Poiché la temperatura dell’acqua può essere determinata da altre proprietà della galassia in cui si trova, la differenza rivela la temperatura della radiazione fossile del Big Bang», spiega Decarli, ricercatore all’Inaf di Bologna. La temperatura della nube di acqua equivarrebbe a circa 17 gradi kelvin (-256 °C), mentre il fondo cosmico avrebbe una temperatura pari a 20 gradi kelvin (-253 °C).

Roberto Decarli, ricercatore all’Inaf Oas Bologna, coautore dello studio pubblicato su Nature

La radiazione cosmica di fondo a microonde è ciò che resta dell’energia rilasciata dal Big Bang ed è in continuo raffreddamento sin dalla sua emissione per effetto dell’espansione dell’universo. L’attuale modello standard descrive come dovrebbe avvenire questo raffreddamento, ma ciò è stato confermato direttamente solo in epoche cosmiche relativamente recenti, fino ad ora.

«Questa scoperta», dice Decarli, «ci mostra che l’universo nella sua infanzia aveva alcune proprietà piuttosto insolite che oggi non esistono più. Già dopo circa 1,5 miliardi  di anni dopo il Big Bang il fondo di radiazione a microonde era troppo freddo perché questo effetto fosse osservabile».

«Abbiamo quindi una finestra di osservazione unica che si apre solo in un universo molto giovane», aggiunge Riechers, il primo autore dello studio. Se quindi oggi esistesse una galassia starburst – cioè un oggetto celeste il cui processo di formazione stellare è particolarmente intenso e violento – con proprietà identiche a Hfls3, l’ombra dell’acqua non sarebbe osservabile perché il contrasto richiesto nelle temperature non esisterebbe più.

Le antenne dell’Osservatorio Noema (Mpg/Germania, Cnrs/Francia, Ign/Spagna). Usando il loro potere risolutivo, gli astronomi hanno sondato l’universo primordiale trovando un nuovo metodo per misurare la temperatura del fondo cosmico a microonde. Noema è il radiotelescopio più potente dell’emisfero settentrionale. L’interferometro opera a oltre 2500 metri sul livello del mare, su uno dei siti d’alta quota più estesi d’Europa, il Plateau de Bure sulle Alpi francesi. Crediti: Iram, A. Ramboud

Costituito da 12 radiotelescopi del diametro di 15 metri, Noema è il più potente radiotelescopio dell’emisfero settentrionale nelle lunghezze d’onda millimetriche, e i dati raccolti dal team con queste antenne sono fondamentali anche per studiare le implicazioni dirette sulla natura dell’elusiva energia oscura. Si pensa, infatti, che l’energia oscura sia responsabile dell’espansione accelerata dell’universo negli ultimi miliardi di anni, ma le sue proprietà rimangono ancora avvolte nel mistero perché non possono essere osservate direttamente con le strutture e gli strumenti attualmente disponibili, né sulla Terra né dallo spazio. Tuttavia, le sue proprietà influenzano l’evoluzione dell’espansione cosmica e quindi la velocità di raffreddamento dell’universo.

Le ricerche in questo campo con Noema vanno avanti e si allargano ad altre galassie nell’universo giovane. «Abbiamo solamente iniziato a studiare le complesse proprietà del vapore acqueo nelle prime generazioni di galassie, ma già se ne intravede l’enorme potenziale, come metodo diagnostico delle peculiari condizioni riscontrate all’alba cosmica. Dopo aver scoperto la fabbrica di acqua fredda agli albori dell’universo, il team ora si propone di trovarne molte altre nel cielo, per mappare il raffreddamento dell’eco del Big Bang nei primi 1,5 miliardi di anni di storia cosmica», conclude Decarli.

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