Che cosa è successo dopo l’alba nell’universo?

Un esperimento per esplorare le conseguenze dell’alba cosmica, il momento in cui le stelle e le galassie illuminarono l’universo per la prima volta, ha ricevuto un finanziamento di quasi 10 milioni di dollari dal National Science Foundation per ampliare la propria matrice di rivelatori in Sud Africa.

La collaborazione HERA prevede l’ampliamento a 330 antenne paraboliche della matrice principale con lo scopo di misurare la radiazione emessa originariamente circa 13 miliardi di anni fa. Sono inoltre previste venti antenne di calibrazione (non mostrate), che porteranno a 350 il numero totale di parabole nella matrice.

L’esperimento, una collaborazione internazionale chiamata Hydrogen Epoch of Reionization Array, o HERA, attualmente dispone di 19 antenne paraboliche di 14 metri rivolte verso il cielo australe nei pressi di Carnarvon, Sud Africa. Il finanziamento di 9,5 milioni di dollari permetterà l’ampliamento della matrice a 240 antenne entro il 2018.

Guidata dalla UC Berkeley, HERA esplorerà un epoca cosmica, della durata di un miliardo di anni, successiva al momento in cui l’elemento più abbondante dell’universo, l’idrogeno, collassò sotto l’attrazione gravitazionale della materia oscura, andando poi a formare le prime stelle e galassie, circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang, L’emissione di luce ultravioletta da questi primi oggetti luminosi ionizzò gli atomi di idrogeno, scindendo il legame tra il protone e l’elettrone. Questo processo è conosciuto come “reionizzazione cosmica” e ha profondamente influenzato l’evoluzione successiva dell’universo.

“Le prime galassie iniziarono a formare bolle di drogeno ionizzate intorno a loro. Come in una schiuma, queste bolle crebbero rapidamente e cominciarono ad intersecarsi tra di loro, fino a che quasi tutto l’idrogeno scomparve. Ancora oggi questa è la situazione che osserviamo”, afferma Aaron Parsons, professore associato di astronomia della UC Berkeley e responsabile del progetto HERA.

Una cronologia cosmica di 13,8 miliardi di anni indica l’era a 380.000 anni dopo il Big Bang osservata dal satellite PLANCK, l’epoca delle prime stelle e galassie osservate da HERA e l’era dell’evoluzione delle galassie che sarà osservata dal futuro James Webb Space Telescope della NASA, successore del telescopio Hubble [Immagine di HERA]

Questa, ad ogni modo, è la teoria. HERA spera di osservare per la prima volta questo evento cosmico cruciale e quindi di mappare l’evoluzione della reionizzazione fino a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang.

“Abbiamo appreso tantissimo sulla struttura del nostro universo grazie agli studi della radiazione cosmica di fondo, ma in tali esperimenti si osserva solo il sottile strato di luce emesso dai protoni ed elettroni che si sono ricombinati a formare l’idrogeno  380.000 anni dopo il Big Bang, “afferma Parsons.  “Sappiamo da questi esperimenti che l’universo era inizialmente neutro, che si è poi ionizzato, e stiamo cercando di delineare come sia avvenuta tale transizione.”

HERA misurerà la radiazione emessa dagli atomi di idreogeno prima della loro scomparsa causata dalla reionizzazione. Tale emissione ha luogo originariamente alla lunghezza d’onda di 21 centimetri – la transizione iperfine nell’atomo di idrogeno – ma viene spostata a lunghezze d’onda più grandi di un fattore 10 o più da quando è stata emessa circa 13 miliardi di anni fa a causa dell’espansione cosmica. Queste onde di circa alcuni metri sono efficientemente rivelate da HERA. I ricercatori sperano di costruire una dettagliata mappa dell’universo profonda svariati miliardi di anni.

I partner della UC Berkeley nella collaborazione HERA sono l’Università di Washington, la UCLA, la Arizona State University, la National Radio Astronomical Observatory, l’Università della Pennsylvania, il Massachusetts Institute of Technology, la Brown University, l’Università di Cambridge nel Regno Unito, lo Square Kilometer Array in Sud Africa e la Scuola Normale Superiore di Pisa, Italia.

“Attraverso la mappatura dell’Universo più remoto questo esperimento potrebbe realizzare il sogno di tutti i cosmologi. Siamo dunque molto entusiasti del progetto” dice Andrea Ferrara, professore ordinario di cosmologia alla Scuola Normale Superiore. “Qui alla SNS siamo sul punto di interpretare i dati di HERA e comprendere ciò che le osservazioni ci possono dire sulle galassie” aggiunge il suo collega Andrei Mesinger, membro del consiglio esecutivo di HERA e co-finanziatore del progetto tramite fondi dello European Research Council.