Credito d'immagine: NASA
Gli astronomi che vogliono studiare l'universo primordiale affrontano un problema fondamentale. Come osservi ciò che esisteva durante le "ere oscure", prima che le prime stelle si formassero per illuminarlo? I teorici Abraham Loeb e Matias Zaldarriaga (Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian) hanno trovato una soluzione. Hanno calcolato che gli astronomi possono rilevare i primi atomi nell'universo primordiale cercando le ombre che proiettano.
Per vedere le ombre, un osservatore deve studiare il fondo cosmico a microonde (CMB) - radiazione rimasta dall'era della ricombinazione. Quando l'universo aveva circa 370.000 anni, si raffreddò abbastanza per consentire agli elettroni e ai protoni di unirsi, ricombinandosi in atomi di idrogeno neutri e permettendo alla radiazione CMB della reliquia del Big Bang di viaggiare quasi senza ostacoli attraverso il cosmo negli ultimi 13 miliardi di anni.
Nel corso del tempo, alcuni dei fotoni del CMB hanno incontrato ammassi di idrogeno e sono stati assorbiti. Cercando regioni con meno fotoni - regioni che sono ombreggiate dall'idrogeno - gli astronomi possono determinare la distribuzione della materia nell'universo primordiale.
"C'è un'enorme quantità di informazioni impresse nel cielo delle microonde che potrebbero insegnarci con precisione squisita sulle condizioni iniziali dell'universo", ha affermato Loeb.
Inflazione e materia oscura
Per assorbire i fotoni CMB, la temperatura dell'idrogeno (in particolare la sua temperatura di eccitazione) deve essere inferiore alla temperatura della radiazione CMB - condizioni che esistevano solo quando l'universo aveva tra 20 e 100 milioni di anni (età dell'Universo: 13,7 miliardi di anni). Per coincidenza, questo è anche ben prima della formazione di qualsiasi stella o galassia, aprendo una finestra unica sui cosiddetti "secoli oscuri".
Lo studio delle ombre CMB consente inoltre agli astronomi di osservare strutture molto più piccole di quanto fosse possibile in precedenza utilizzando strumenti come il satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). La tecnica dell'ombra è in grado di rilevare gruppi di idrogeno piccoli fino a 30.000 anni luce nell'universo di oggi, o l'equivalente di soli 300 anni luce nell'universo primordiale. (La scala si è ingrandita con l'espansione dell'universo.) Tale risoluzione è un fattore 1000 volte migliore della risoluzione di WMAP.
“Questo metodo offre una finestra sulla fisica dell'universo primordiale, vale a dire l'epoca dell'inflazione durante la quale si ritiene che siano state prodotte fluttuazioni nella distribuzione della materia. Inoltre, potremmo determinare se i neutrini o qualche tipo sconosciuto di particella contribuiscono sostanzialmente alla quantità di "materia oscura" nell'universo. Queste domande - cosa è successo durante l'epoca dell'inflazione e cos'è la materia oscura - sono problemi chiave nella cosmologia moderna le cui risposte forniranno spunti fondamentali sulla natura dell'universo ”, ha affermato Loeb.
Una sfida osservativa
Gli atomi di idrogeno assorbono i fotoni CMB ad una lunghezza d'onda specifica di 21 centimetri (8 pollici). L'espansione dell'universo allunga la lunghezza d'onda in un fenomeno chiamato spostamento verso il rosso (perché una lunghezza d'onda più lunga è più rossa). Pertanto, per osservare l'assorbimento di 21 cm dall'universo primordiale, gli astronomi devono guardare lunghezze d'onda più lunghe da 6 a 21 metri (da 20 a 70 piedi), nella porzione radio dello spettro elettromagnetico.
Osservare le ombre CMB alle lunghezze d'onda radio sarà difficile a causa dell'interferenza da parte delle sorgenti del cielo in primo piano. Per raccogliere dati precisi, gli astronomi dovranno utilizzare la prossima generazione di radiotelescopi, come la Low Frequency Array (LOFAR) e la Square Kilometer Array (SKA). Sebbene le osservazioni rappresenteranno una sfida, il potenziale guadagno è notevole.
"C'è una miniera d'oro di informazioni là fuori in attesa di essere estratta. Sebbene il rilevamento completo possa essere sperimentalmente impegnativo, è gratificante sapere che esiste e che possiamo tentare di misurarlo nel prossimo futuro ", ha affermato Loeb.
Questa ricerca sarà pubblicata in un prossimo numero di Physical Review Letters ed è attualmente disponibile online all'indirizzo http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Con sede a Cambridge, in Massachusetts, l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics è una collaborazione congiunta tra lo Smithsonian Astrophysical Observatory e l'Harvard College Observatory. Gli scienziati della CfA, organizzati in sei divisioni di ricerca, studiano l'origine, l'evoluzione e il destino finale dell'universo.
Fonte originale: Comunicato stampa Harvard CfA
