La riga a 21 centimetri è la firma dell’idrogeno atomico neutro, l’elemento più abbondante nell’universo. È una riga spettrale prodotta dall’emissione di un fotone quando l’elettrone o il protone dell’atomo cambia l’orientamento relativo del suo spin. Elettrone e protone possiedono infatti una proprietà quantistica chiamata “spin”, una sorta di rotazione intrinseca. Quando l’orientamento relativo dei due spin nell’atomo cambia, l’elemento perde una piccolissima quantità di energia, che viene emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica con una frequenza di circa 1420,4 megahertz, corrispondente a una lunghezza d’onda di circa 21,1 cm, tipica delle onde radio.
La mappatura di questa emissione permette di tracciare la distribuzione della materia su grande scala e di ricostruire la storia dell’espansione dell’universo. Un’informazione preziosa anche per studiare la natura dell’energia oscura.
Il radiotelescopio Chime fotografato di notte, con la Via Lattea sullo sfondo. Crediti: Chime Collaboration
Lo strumento Chime (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), un grande radiotelescopio situato in Canada, è stato costruito proprio per questo scopo. In particolare, Chime utilizza una tecnica chiamata 21 cm intensity mapping per misurare l’emissione complessiva dell’idrogeno neutro proveniente da una determinata regione di cielo a una certa frequenza, senza cercare di distinguere individualmente le singole galassie.
In precedenza, lo strumento aveva già rivelato la riga a 21 centimetri proveniente da epoche remote dell’universo, ma attraverso una cross-correlazione con i dati provenienti da mappe galattiche realizzate con altri telescopi. In pratica, i ricercatori cercavano una corrispondenza fra la distribuzione dell’emissione radio dell’idrogeno rilevata da Chime e quella delle galassie osservate da altri strumenti.
Un team di ricercatori guidati dall’University of British Columbia ha ora dimostrato che è possibile identificare la firma cosmologica dell’idrogeno neutro utilizzando esclusivamente i dati di Chime. Lo strumento ha infatti rilevato per la prima volta il segnale cosmologico a 21 centimetri dell’idrogeno in autocorrelazione, utilizzando cioè soltanto i propri dati, senza incrociarli con quelli di altre survey cosmologiche. I risultati della ricerca sono stati pubblicati di recente su The Astrophysical Journal.
Per mappare l’idrogeno neutro, il gruppo di ricerca ha messo le antenne di Chime in ascolto dell’universo lontano per 94 notti nel 2019. Una volta raccolti i dati, attraverso sofisticate tecniche di analisi ed elaborazione degli stessi, i ricercatori hanno isolato la debolissima emissione dal rumore prodotto dalle sorgenti radio presenti nel cielo, dalle interferenze generate dalle attività umane e dal rumore prodotto dallo strumento stesso. Dopo più di un anno di verifiche, gli scienziati hanno confermato la presenza del segnale che cercavano: una traccia dell’idrogeno neutro proveniente da un’epoca lontana della storia cosmica.
Chime ha infatti captato onde radio a frequenze comprese fra 608,2 e 707,8 megahertz, corrispondenti a valori di redshift tra 1,34 e 1,01. Il redshift misura quanto la radiazione è stata spostata verso lunghezze d’onda maggiori dall’espansione dell’universo e permette quindi di collegare ciò che osserviamo all’epoca cosmica in cui è stata emessa. In questo caso, si tratta di un intervallo che ci porta indietro nel tempo di circa 8–9 miliardi di anni, quando l’universo aveva circa cinque o sei miliardi di anni. La misura ha raggiunto una significatività statistica complessiva di 12,4 sigma, ben oltre la soglia convenzionale di 5 sigma per considerare una rilevazione statisticamente solida.
Le quattro grandi antenne – semi-cilindri – di Chime su cui sono installati i ricevitori radio. Crediti: Chime Collaboration
«L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo e la materia prima da cui si formano le stelle», ricorda Arnab Chakraborty, ricercatore all’Università di Toronto e coautore dello studio, che per primo ha proposto questa ricerca. «La sua debole emissione radio agisce come un tracciante cosmico, rivelando come la materia è distribuita nello spazio. In questo studio abbiamo lavorato duramente per convincerci che non si trattasse di un falso allarme. Dopo tutti i test, il segnale era ancora lì; questo ci ha dato la fiducia necessaria per concludere che stavamo osservando davvero l’idrogeno proveniente dall’universo lontano».
In un secondo articolo di accompagnamento al primo, pubblicato anch’esso su The Astrophysical Journal, i ricercatori hanno analizzato ciò che il segnale osservato rivela sulla distribuzione dell’idrogeno nell’universo.
«I nostri dati indicano che, in quell’epoca, circa il due per cento dell’idrogeno dell’universo si trovava sotto forma atomica neutra, un dato sostanzialmente in accordo con altre misure», dice a questo proposito Shabbir Shaikh, ricercatore all’Arizona State University e coautore di entrambe le pubblicazioni. «Misurando come questo idrogeno è distribuito e come tende ad aggregarsi, Chime ci offre un nuovo strumento per mettere alla prova la nostra comprensione della formazione e dell’evoluzione delle galassie».
Il risultato di questo studio è soprattutto una dimostrazione di fattibilità, spiegano i ricercatori. Chime si è dimostrato capace di mappare l’idrogeno neutro, per studiare la struttura su larga scala dell’universo, senza dipendere da altre survey osservative. Questo apre la strada a misure cosmologiche più ampie e, in prospettiva, allo studio della storia dell’espansione dell’universo e dei fenomeni che la determinano, inclusa l’energia oscura.
Un altro aspetto particolarmente interessante del lavoro è che il risultato arriva utilizzando solo una piccola parte dell’archivio di dati di Chime. Il radiotelescopio opera dal 2016 e dispone ormai di quasi sette anni di osservazioni: i ricercatori intendono sfruttare questo patrimonio di dati per estendere l’analisi a epoche cosmiche ancora più remote, risalenti a quando l’universo aveva circa tre miliardi di anni.
«Da tempo gli astrofisici credono che questa tecnica di mappatura dell’idrogeno, applicata a questo tipo di telescopio, abbia un grande potenziale», conclude un altro fra i coautori dello studio, Simon Foreman, dell’Arizona State University. «Dimostrando concretamente la sua efficacia nella pratica, abbiamo aperto una finestra completamente nuova sull’universo: possiamo utilizzarla per testare le nostre teorie attuali e scoprire nuove cose sulle galassie e su altre proprietà del cosmo».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Detection of the Cosmological 21 cm Signal in Autocorrelation at z ∼ 1 with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment”, di The CHIME Collaboration, Mandana Amiri, Kevin Bandura, Arnab Chakraborty, et al.
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Interpretation of 21 cm Autopower Spectrum Measurement at z ∼ 1 by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment”, di Mandana Amiri, Kevin Bandura, Arnab Chakraborty, et al.