Un segnale nelle onde radio provenienti dal cielo dell’emisfero sud porta impressa la firma della luce emessa dalle prime stelle circa 180 milioni di anni dopo il big bang. Le caratteristiche di questo segnale potrebbero anche dimostrare una primordiale interazione tra la materia ordinaria e la materia oscura
www.lescienze.it

I cosmologi la chiamano alba cosmica ed è il periodo durante cui si sono formate le prime stelle dell’universo. Ora uno studio pubblicato su “Nature” ha identificato un segnale proveniente da questa era primordiale del cosmo: risale a 180 milioni di anni dopo il big bang. E un altro studio pubblicato sulla stessa rivista ha suggerito che il segnale rilevato porta impressa l’impronta di un’interazione fondamentale, quella tra materia ordinaria e la materia oscura.

I ricercatori hanno già un’idea abbastanza chiara di come sono andate le cose nell’epoca primordiale dell’universo. Per i modelli astrofisici, le prime stelle erano di dimensioni enormi, di colore blu e di vita breve. La componente ultravioletta di quegli astri penetrava il gas primordiale composto da idrogeno atomico – composto da un protone e un elettrone – che a quell’epoca costituiva la maggior parte della materia dell’universo; in particolare la radiazione UV eccitava gli stati elettronici dell’idrogeno, ognuno dei quali ha un’energia ben definita.

In generale un atomo può assorbire un fotone con una specifica lunghezza d’onda (e quindi con un’energia specifica) e in questo modo può eccitarsi (cioè portare un elettrone in uno stato di maggiore energia rispetto allo stato di partenza), in un processo che è definito “transizione elettronica”; in seguito lo stesso atomo può riemettere un fotone nel processo inverso, può cioè diseccitarsi (ovvero riportare l’elettrone in uno stato di energia più bassa).

Tornando alla scoperta pubblicata su “Nature”, una particolare transizione elettronica dell’idrogeno, chiamata “riga a 21 centimetri”, è stata alterata dai fotoni della radiazione ultravioletta delle prime stelle e ha anche interagito con i fotoni della radiazione cosmica di fondo, ovvero la radiazione elettromagnetica nelle microonde che possiamo rilevare oggi e considerare come l’eco del big bang avvenuto 13,8 miliardi di anni fa. Questa interazione ha impresso “una firma” nello spettro radio della radiazione che si osserva oggi in tutto il cielo a frequenze inferiori a 200 megahertz.

Nel primo articolo, Judd Bowman dell’Università dell’Arizona e colleghi hanno dimostrato di aver rilevato questo segnale caratteristico a 78 megahertz. La scoperta è stata possibile grazie a un apposito strumento, chiamato spettrometro radio, dell’Osservatorio CSIRO nell’Australia occidentale; nell’ambito del progetto Experiment to Detect the Global EoR Signature (EDGES), il gruppo di Bowman ha misurato lo spettro radio di tutti i segnali astronomici ricevuti dalla maggior parte del cielo nell’emisfero sud e ha cercato piccoli cambiamenti di potenza in funzione della frequenza.

“Trovare questo minuscolo segnale ha aperto una nuova finestra sull’universo primordiale”, ha commentato Bowman. “I telescopi non possono vedere abbastanza lontano da poter rilevare direttamente le immagini di stelle così antiche, ma per via indiretta nello spettro abbiamo rilevato onde radio provenienti dallo spazio nel momento in cui si sono accese”.

Nel secondo articolo, Rennan Barkana dell’Università di Tel Aviv, in Israele, considera alcune caratteristiche della radiazione rilevata. In gran parte sono in accordo con le previsioni teoriche, ma dimostrano che il processo di assorbimento della radiazione fu più intenso del previsto. Ciò indica che il gas di idrogeno primordiale era più freddo di quanto stimato in precedenza. Questa differenza può avere due motivazioni.

La prima è che i lavori teorici degli astrofisici finora abbiano trascurato qualcosa di significativo. La seconda è che l’idrogeno si sia raffreddato per effetto dell’interazione con qualcosa di ancora più freddo: la materia oscura. Secondo Barkana, in base al segnale osservato si può dedurre che le particelle di materia oscura, ancora ipotetiche, abbiano una massa pari ad alcune volte la massa del protone.

Se l’idea di Barkana sarà confermata, ha spiegato Bowman, allora gli scienziati avranno imparato qualcosa di nuovo e fondamentale sulla misteriosa materia oscura che costituisce l’85 per cento della materia nell’universo; in quel caso, inoltre, l’ipotesi del ricercatore di Tel Aviv rappresenterebbe una prima escursione in un nuovo territorio: la fisica oltre il modello standard delle particelle.