Sono stati trovati segnali provenienti dalle prime stelle dell’universo – che potrebbero finalmente svelare i segreti della materia oscura

L’illustrazione di questo artista mostra le prime, massicce, stelle blu dell’universo in filamenti gassosi, con lo sfondo cosmico a microonde appena visibile ai bordi. Credito: NRFuller, National Science Foundation

Poco dopo il Big Bang, l’universo era oscuro, privo delle stelle e delle galassie che lo definiscono oggi.

Nel corso dei successivi 100 milioni di anni, la gravità attirò regioni dense di idrogeno neutro dell’universo primordiale gas insieme finché la forza non fu così forte che queste sfere di gas collassarono su se stesse per formarsi stelle. Svelare i segreti dell’aspetto di queste stelle e del modo in cui si sono formate potrebbe darci una visione senza precedenti della nascita del nostro universo – e abbiamo appena fatto un passo significativo in quella direzione.

Come risultato di 12 anni di ricerca, un team di scienziati, guidato dall'astronomo Judd Bowman della ASU School of Earth and Space Exploration, ha rilevato le “impronte digitali” delle prime stelle dell’universo, che si formarono appena 180 milioni di anni dopo l’universo iniziò. Considerando che il nostro universo si sta avvicinando ai 14 miliardi di anni, si tratta di una goccia relativa nell’oceano della sua età.

Scrutando l'universo primordiale

La chiave per rilevare queste impronte stellari risiede nella radioastronomia. Utilizzando uno spettrometro radiofonico presso l’agenzia scientifica nazionale australiana (CSIRO) Murchison Radio-astronomy (MRO) nell'Australia occidentale, il team ha cercato piccoli cambiamenti nella lunghezza d'onda attraverso la radio spettro.

Quando le onde radio colpiscono l'antenna, vengono amplificate da un ricevitore prima di essere digitalizzate per memorizzarle come file del computer, allo stesso modo in cui i ricevitori FM e TV trasformano i segnali.

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 Inizialmente il team ha sintonizzato il suo strumento per guardare più tardi (quindi più recentemente) nel tempo cosmico, ma nel 2015 ha esteso la sua ricerca. "Non appena abbiamo impostato il nostro sistema su un range più basso, abbiamo iniziato a vedere cose che ritenevamo potessero essere una vera firma", ha affermato l'autore dello studio. Alan Rogers dell’Osservatorio Haystack del Massachusetts Institute of Technology disse. “Vediamo questo calo più forte a circa 78 megahertz, e quella frequenza corrisponde a circa 180 milioni di anni dopo il Big Bang.

“In termini di rilevamento diretto di un segnale proveniente dal gas idrogeno stesso, questo deve essere il primo.”

In particolare, i segnali rilevati dal radiospettrometro in questo studio provenivano dai cosiddetti primordiali gas idrogeno che sarebbe stato abbondante a questo punto nell'universo primordiale, riempiendo gli spazi tra i due prime stelle.

"C'è stata una grande sfida tecnica nel realizzare questo rilevamento, poiché le fonti di rumore possono essere mille volte più luminose del segnale: è come essere nel nel bel mezzo di un uragano e cercando di sentire il battito delle ali di un colibrì", ha detto Peter Kurczynski, il responsabile del programma della National Science Foundation che ha sostenuto questo studio. “Questi ricercatori con una piccola antenna radio nel deserto hanno visto più lontano dei più potenti telescopi spaziali, aprendo una nuova finestra sull’universo primordiale”.

Decifrare i risultati

I risultati di questo esperimento durato 12 anni sono significativi per una serie di ragioni. In primo luogo, i segnali offrono informazioni su come si sono formate le prime stelle, svelando teorie che, fino ad ora, erano apparentemente impossibili da dimostrare. In secondo luogo, svelando gli indizi su come si formano le prime stelle, gli astronomi saranno in grado di svelare come si sono evolute le galassie, i buchi neri e i sistemi solari. Questo studio potrebbe persino rivelare i segreti della sfuggente materia oscura. È davvero senza precedenti.

"È improbabile che saremo in grado di vedere qualcosa prima nella storia delle stelle durante la nostra vita", ha detto Bowman. “Questo progetto dimostra che una nuova tecnica promettente può funzionare e ha aperto la strada a decenni di nuove scoperte astrofisiche”.

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I risultati confermano le aspettative teoriche generali su quando si formarono le prime stelle e le proprietà più basilari delle prime stelle.

“Quello che sta succedendo in questo periodo”, ha detto il coautore Rogers dell’Osservatorio Haystack del MIT, “è che parte della radiazione proveniente dalle primissime stelle sta iniziando a consentire la vista dell’idrogeno. Sta facendo sì che l’idrogeno inizi ad assorbire la radiazione di fondo, quindi inizi a vederlo in sagoma, a particolari frequenze radio. Questo è il primo vero segnale che le stelle stanno iniziando a formarsi e a influenzare il mezzo che le circonda”.

Lo studio ha anche rivelato che il gas nell’universo era probabilmente molto più freddo del previsto, pari alla metà delle temperature previste e precedentemente ipotizzate.

"L'unico costituente cosmico conosciuto che può essere più freddo del gas cosmico primordiale è la materia oscura", ha spiegato Barkana nel suo articolo Possibile interazione tra barioni e particelle di materia oscura rivelata dalle prime stelle. “La ragione di ciò è che si presume che la materia oscura interagisca con se stessa e principalmente con i barioni gravitazionalmente, e quindi si prevede che si disaccoppia termicamente nell'universo primordiale e si raffredda successivamente."

“Se l’idea di Barkana sarà confermata”, continuò Bowman, “allora avremo imparato qualcosa di nuovo e fondamentale sul misterioso materia oscura che costituisce l'85% della materia nell'universo, fornendo il primo assaggio della fisica oltre lo standard modello."

“Ora che sappiamo che questo segnale esiste”, dice Bowman, “dobbiamo mettere rapidamente online nuovi radiotelescopi che saranno in grado di scrutare il segnale molto più in profondità”.

I risultati sono stati pubblicati in Naturain due documenti