Con il tempo che scorre da destra a sinistra, questa visualizzazione mostra la formazione delle prime stelle da una foschia di idrogeno neutro dopo l'alba cosmica dell'universo.
(Immagine: © NASA / STScI)
Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e il capo scienziato del centro scientifico COSI. Sutter è anche ospite di Ask a Spaceman e Space Radio e guida AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo alle voci Expert di Space.com: Op-Ed & Insights.
Forse la più grande rivelazione negli ultimi cento anni di studio dell'universo è che la nostra casa cambia e si evolve con il tempo. E non solo in modi minori e insignificanti come le stelle che si muovono, le nuvole di gas che si comprimono e le stelle massicce che muoiono in esplosioni catastrofiche. No, il nostro intero cosmo ha cambiato il suo carattere fondamentale più di una volta in un lontano passato, alterando completamente il suo stato interno su scala globale, cioè universale.
Prendi, ad esempio, il fatto che un tempo nel passato nebbioso e mal ricordato, non c'erano stelle.
Prima della prima luce
Conosciamo questo semplice fatto a causa dell'esistenza del fondo cosmico a microonde (CMB), un bagno di radiazioni deboli ma persistenti che assorbe l'intero universo. Se incontri un fotone casuale (un po 'di luce), ci sono buone probabilità che provenga dal CMB - che la luce assorba oltre il 99,99 percento di tutte le radiazioni nell'universo. È una reliquia rimanente di quando l'universo aveva appena 270.000 anni e passò da un plasma caldo e bollente a una zuppa neutra (senza carica positiva o negativa). Quella transizione ha rilasciato radiazioni incandescenti che, nel corso di 13,8 miliardi di anni, si sono raffreddate e si sono estese nelle microonde, dandoci la luce di fondo che possiamo rilevare oggi. [Sfondo di microonde cosmico: spiegazione della reliquia del Big Bang (infografica)]
Al momento del rilascio del CMB, l'universo era circa un milionesimo del suo volume attuale e migliaia di gradi più caldo. Era anche quasi del tutto uniforme, con differenze di densità non superiori a 1 parte su 100.000.
Quindi, non esattamente uno stato in cui le stelle potrebbero felicemente esistere.
The Dark Ages
Nei milioni di anni successivi al rilascio del CMB (affettuosamente noto come "ricombinazione" nei circoli astronomici, a causa di un fraintendimento storico di epoche ancora precedenti), l'universo era in uno stato strano. Ci fu un persistente bagno di radiazioni incandescenti, ma quella radiazione si stava rapidamente raffreddando mentre l'universo continuava la sua inesorabile espansione. C'era della materia oscura, ovviamente, uscire a pensare ai fatti suoi. E c'era il gas ormai neutro, quasi interamente idrogeno ed elio, finalmente liberato dalle sue lotte con le radiazioni e libero di fare a suo piacimento.
E quello che faceva piacere era uscire con il più possibile di se stesso. Per fortuna, non ha dovuto lavorare molto duramente: nell'universo estremamente precoce, le microscopiche fluttuazioni quantistiche si sono allargate per diventare semplicemente piccole differenze di densità (e perché ciò è accaduto è una storia per un altro giorno). Queste minuscole differenze di densità non influirono sulla maggiore espansione cosmologica, ma influenzarono la vita di quell'idrogeno neutro. Ogni cerotto leggermente più denso della media, anche se un pochino, aveva una forza gravitazionale leggermente più forte sui suoi vicini. Questa maggiore spinta ha incoraggiato più gas a unirsi al partito, il che ha amplificato il rimorchiatore gravitazionale, che ha incoraggiato ancora più vicini e così via.
Come musica ad alto volume a una festa in casa che agisce come una canzone di sirena per incoraggiare più festaioli, nel corso di milioni di anni il gas ricco si è arricchito e il gas povero è diventato più povero. Attraverso la semplice gravità, sono cresciute minuscole differenze di densità, costruendo i primi massicci agglomerati di materia e svuotando l'ambiente circostante.
L'alba cosmica si spezza
Da qualche parte, da qualche parte, un pezzo di idrogeno neutro ebbe fortuna. Accatastando strati su strati schiaccianti su se stesso, il nucleo più interno ha raggiunto una temperatura e una densità critiche, forzando i nuclei atomici insieme in uno schema complicato, accendendo nella fusione nucleare e convertendo la materia prima in elio. Quel feroce processo ha anche rilasciato un po 'di energia e in un attimo è nata la prima stella.
Per la prima volta dai primi dieci minuti del Big Bang, le reazioni nucleari hanno avuto luogo nel nostro universo. Nuove fonti di luce, che punteggiano il cosmo, inondarono i vuoti una volta vuoti di radiazioni. Ma non siamo esattamente sicuri quando si verificasse questo evento importante; le osservazioni di questa epoca sono estremamente difficili. Per uno, le vaste distanze cosmologiche impediscono persino ai nostri telescopi più potenti di osservare quella prima luce. Ciò che rende peggio è che l'universo primordiale era quasi completamente neutro e, in primo luogo, il gas neutro non emette molta luce. Solo quando più generazioni di stelle si incollano insieme per formare galassie, possiamo anche ottenere un debole accenno di questa epoca importante.
Sospettiamo che le prime stelle si siano formate da qualche parte entro le prime centinaia di milioni di anni dell'universo. Non è molto più tardi che abbiamo osservazioni dirette di galassie, nuclei galattici attivi e persino l'inizio di ammassi di galassie - le strutture più massicce che alla fine sorgeranno nell'universo. Qualche tempo prima di loro dovevano arrivare le prime stelle, ma non troppo presto, perché le condizioni frenetiche dell'universo infantile avrebbero impedito la loro formazione.
Oltre l'orizzonte
Sebbene il prossimo James Webb Space Telescope sarà in grado di individuare le prime galassie con un'eccellente precisione, offrendo una vasta gamma di dati sull'universo primordiale, lo stretto campo visivo del telescopio non ci darà il quadro completo di questa era. Gli scienziati sperano che alcune delle prime galassie possano contenere i resti delle primissime stelle - o persino le stelle stesse - ma dovremo aspettare e (letteralmente) vedere.
L'altro modo per sbloccare l'alba cosmica è attraverso una stranezza sorprendente di idrogeno neutro. Quando gli spin quantici dell'elettrone e del protone si capovolgono casualmente, l'idrogeno emette radiazioni con una lunghezza d'onda molto specifica: 21 centimetri. Questa radiazione ci consente di mappare sacche di idrogeno neutro nella nostra attuale Via Lattea, ma le distanze estreme nell'era dell'alba cosmica rappresentano una sfida completamente diversa.
Il problema è che l'universo si è espanso da quell'era morta da molto tempo, il che fa sì che tutte le radiazioni intergalattiche si estendano a lunghezze d'onda più lunghe. Oggi quel segnale primordiale di idrogeno neutro ha una lunghezza d'onda di circa 2 metri, posizionando saldamente il segnale nelle bande radio. E molte altre cose nell'universo - supernova, campi magnetici galattici, satelliti - sono abbastanza forti a quelle stesse frequenze, oscurando il debole segnale dei primi anni dell'universo.
Ci sono diverse missioni in tutto il mondo che cercano di assecondare quel succoso segnale dell'alba cosmica, estrarre il suo sussurro primordiale dall'attuale cacofonia e rivelare la nascita delle prime stelle. Ma per ora, dovremo solo aspettare e ascoltare.
Scopri di più ascoltando l'episodio "Che cosa ha svegliato l'alba cosmica?" sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Joyce S. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @ PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su @Spacedotcom, Facebook e Google+. Articolo originale su Space.com.
