Per risolvere il mistero delle origini dell’universo, gli astronomi guardano indietro nel tempo, nello spazio profondo, alla ricerca di un segnale del periodo di transizione chiamato “l’epoca della reionizzazione”.
Il Big Bang, 13,8 miliardi di anni fa, ha prodotto un calderone bollente di energia e particelle elementari che si sono raffreddate per centinaia di migliaia di anni prima che protoni ed elettroni si combinassero per formare atomi, principalmente idrogeno ed elio.
L’astrofisica ha trovato deboli variazioni di temperatura a partire dalla radiazione cosmica di fondo a microonde, appena 380.000 anni dopo il Big Bang. Il resto dell’universo primordiale era oscuro, ma procedendo nell’espansione, la materia ha generato galassie e stelle che a loro volta hanno originato radiazioni, raggi X ed ultravioletti, in grado di riscaldare il gas tra le stelle. Ad un certo punto, l’idrogeno ha cominciato a ionizzarsi ossia a perdere il suo elettrone formando delle bolle all’interno dell’idrogeno neutro, l’inizio della cosiddetta “Epoca della Reionizzazione“.
Per mappare queste bolle ci si è concentrati su una lunghezza d’onda della luce che l’idrogeno neutro assorbe ed emette, ma non l’idrogeno ionizzato perché ha perso il suo unico elettrone. Questa frequenza di 1.420 megahertz è detta linea di 21 centimetri ed è causata dalla transizione iperfine durante la quale gli spin dell’elettrone e del protone passano da paralleli ad antiparalleli.
HERA è un radiotelescopio, composto da 350 antenne disposte in una griglia esagonale di 300 metri, situato nel deserto sudafricano del Karoo. Il progetto è una collaborazione americana, sudafricana e britannica per rilevare le onde radio nella gamma a bassa frequenza registrando le fluttuazioni nelle emissioni di gas idrogeno neutro trovato in tutto l’universo prima che si formassero stelle, galassie e buchi neri.
Hydrogen Epoch of Reionization Array (Hera) era già il più sensibile al mondo, ma in un articolo accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal, il team di ricercatori riferisce di aver raddoppiato la sensibilità.
Joshua Dillon, dell’Università della California Dipartimento di Astronomia di Berkeley ed autore principale dell’articolo, ha affermato come si stia andando verso una tecnica potenzialmente rivoluzionaria. Una volta giunti alla sensibilità necessaria si ricaveranno informazioni preziose dai dati.
Quando le antenne radio saranno completamente calibrate, teoricamente nell’autunno 2023, gli studiosi sperano di elaborare una mappa 3D delle bolle di idrogeno ionizzato e neutro mentre si sono evolute da circa 200 milioni di anni fa a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. La rappresentazione potrebbe dirci in che modo le prime stelle e le galassie erano diverse da quelle che vediamo oggi e com’era l’universo nella sua gioventù.
Hera è uno strumento a bassa frequenza con un ampio campo visivo e le singole antenne non devono spostarsi per puntare determinate zone perché il segnale ricercato è ovunque nel cielo. Queste caratteristiche fanno risparmiare su costose parti mobili a favore di un array essenziale composto da parabole di 14 metri di diametro l’una.
Le antenne sono fabbricate con pali del telefono, tubi in PVC e filo metallico. La tecnologia veramente sofisticata è nelle applicazioni del supercomputer dedicati alla raccolta ed all’elaborazione delle informazioni.
HERA emette 4-8 TB di dati per notte generando, in una tipica stagione osservativa, da 1/2 a 1 Petabyte di dati. Una prima serie di routine di analisi è eseguita in loco per ridurre il volume ad una dimensione trasferibile su Internet per ulteriori analisi. La calibrazione quasi in tempo reale e l’analisi iniziale aiutano gli operatori a monitorare le prestazioni.
I nuovi dati mostrano che le prime stelle contenevano pochi altri elementi oltre all’idrogeno e all’elio evidenziando una composizione differente dalle stelle di oggi in cui si rintracciano più elementi come litio ed uranio. Le caratteristiche delle galassie ai raggi X devono essere cambiate, altrimenti sarebbe stato rilevato il segnale che si sta cercando.
Gli astrofisici sono ricorsi al formaggio svizzero con i buchi per spiegare il ragionamento. I radioastronomi sospettano che i raggi X delle stelle binarie abbiano riscaldato l’intero blocco di formaggio prima della formazione dei buchi, come ha detto Dillon. Ed i buchi sono i pezzi ionizzati.
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Immagini/Foto: Dara Storer – HERA
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