Il Big Bang potrebbe essere stato luminoso e drammatico, ma subito dopo l'universo si è oscurato e per molto tempo. Gli scienziati ritengono che le prime stelle siano apparse in un brodo fangoso di materia 200 milioni di anni dopo l'inizio a caldo. Poiché i telescopi moderni non sono abbastanza sensibili per osservare direttamente la luce di queste stelle, gli astronomi stanno cercando prove indirette della loro esistenza.
E così un team di scienziati è riuscito a captare un debole segnale da queste stelle utilizzando un'antenna radio di dimensioni da tavolo chiamata EDGES. Misurazioni spettacolari, che aprono una nuova finestra sull'universo primordiale, mostrano che queste stelle sono apparse 180 milioni di anni dopo il Big Bang. Il lavoro pubblicato su Nature suggerisce anche che gli scienziati potrebbero ripensare di cosa sia fatta la "materia oscura", un tipo misterioso di materia invisibile.
I modelli hanno mostrato che le prime stelle ad illuminare l'universo erano blu e di breve durata. Hanno immerso l'universo in un bagno di luce ultravioletta. Il primissimo segnale osservabile di questa alba cosmica è stato a lungo pensato come un "segnale di assorbimento" - un calo di luminosità a una particolare lunghezza d'onda - causato dal passaggio della luce e che influisce sulle proprietà fisiche delle nubi di idrogeno gassoso, l'elemento più abbondante nell'universo.
Sappiamo che questa caduta dovrebbe essere rilevata nella parte di onde radio dello spettro elettromagnetico ad una lunghezza d'onda di 21 cm.
Misurazione complessa
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All'inizio c'era una teoria che prevedeva tutto questo. Ma in pratica, trovare un segnale del genere è estremamente difficile. Questo perché si intreccia con molti altri segnali in questa regione dello spettro che sono molto più forti, ad esempio le frequenze comuni delle trasmissioni radio e le onde radio di altri eventi nella nostra galassia. Il motivo per cui gli scienziati sono riusciti è in parte dovuto al fatto che l'esperimento era dotato di un ricevitore sensibile e di una piccola antenna, che gli consentivano di coprire una vasta area del cielo in modo relativamente semplice.
Per assicurarsi che qualsiasi calo di luminosità che hanno trovato fosse dovuto alla luce delle stelle dell'universo primordiale, gli scienziati hanno esaminato lo spostamento Doppler. Conoscete questo effetto per l'abbassamento della piazzola quando passa un'auto con un lampeggiante e una sirena. Allo stesso modo, quando le galassie si allontanano da noi a causa dell'espansione dell'universo, la luce si sposta verso le lunghezze d'onda rosse. Gli astronomi chiamano questo effetto "redshift".
Il redshift dice agli scienziati quanto dista una nuvola di gas dalla Terra e quanto tempo fa, per gli standard cosmici, la luce è stata emessa da essa. In questo caso, qualsiasi variazione di luminosità prevista a una lunghezza d'onda di 21 cm indicherà il movimento e la distanza del gas. Gli scienziati hanno misurato il calo di luminosità che si è verificato in diversi periodi cosmici, fino al momento in cui l'universo aveva solo 180 milioni di anni, e lo hanno confrontato con il suo stato attuale. Era la luce delle primissime stelle.
Ciao materia oscura
La storia non finisce qui. Gli scienziati sono stati sorpresi di scoprire che l'ampiezza del segnale era doppia rispetto a quanto previsto. Ciò suggerisce che l'idrogeno gassoso era molto più freddo del previsto dal fondo a microonde.
Questi risultati sono stati pubblicati in un altro articolo su Nature e hanno lanciato un'esca per i fisici teorici. Questo perché diventa chiaro dalla fisica che in questo momento dell'esistenza dell'universo, il gas era facile da riscaldare, ma difficile da raffreddare. Per spiegare il raffreddamento aggiuntivo associato al segnale, il gas ha dovuto interagire con qualcosa di ancora più freddo. E l'unica cosa più fredda del gas cosmico nell'universo primordiale era la materia oscura. I teorici devono ora decidere se possono estendere il modello standard della cosmologia e della fisica delle particelle per spiegare questo fenomeno.
Sappiamo che c'è cinque volte più materia oscura della materia ordinaria, ma non sappiamo di cosa sia fatta. Sono state proposte diverse varianti di particelle che potrebbero costituire la materia oscura, e la preferita tra queste è la particella massiccia con interazione debole (WIMP).
Il nuovo studio, tuttavia, suggerisce che la particella di materia oscura non dovrebbe essere molto più pesante del protone (che entra nel nucleo atomico insieme al neutrone). Questo è ben al di sotto delle masse previste per il WIMP. L'analisi suggerisce anche che la materia oscura è più fredda del previsto e apre un'affascinante opportunità per utilizzare la "cosmologia di 21 cm" come sonda per la materia oscura nell'universo. Ulteriori scoperte con ricevitori più sensibili e meno interferenze dalla radio terrestre potrebbero rivelare maggiori dettagli sulla natura della materia oscura e forse anche indicare la velocità con cui viaggia.
Ilya Khel
