La nuova immagine della CMB mostra la prima luce nell’Universo con dettagli mai visti prima. Abbiamo appena ottenuto l’istantanea più chiara della prima luce che ha attraversato l’Universo. Dopo cinque anni di osservazione ininterrotta del cielo, il Telescopio Cosmologico di Atacama (ACT) ha compilato la mappa più dettagliata che abbiamo mai visto del fondo cosmico a microonde (CMB) – la debole luce che permea l’Universo da soli 380.000 anni dopo il Big Bang. I risultati? Ora abbiamo una finestra più chiara sull’infanzia dell’Universo, rivelando con maggiore precisione che mai quanta massa esiste in esso, quanto è grande e che la più grande crisi della cosmologia – la costante di Hubble – rimane irrisolta. I risultati sono stati dettagliati in tre articoli preprint caricati su arXiv e sul sito web di ACT dell’Università di Princeton.
“Stiamo vedendo i primi passi verso la formazione delle prime stelle e galassie,” dice la fisica Suzanne Staggs dell’Università di Princeton negli Stati Uniti. “E non stiamo solo vedendo luce e oscurità, stiamo vedendo la polarizzazione della luce ad alta risoluzione. Questo è un fattore distintivo che distingue ACT da Planck e altri telescopi precedenti.”
Non possiamo vedere fino al Big Bang. L’Universo primordiale era riempito da una densa, torbida e opaca nebbia di plasma ionizzato. Questo mezzo era impenetrabile alla luce; qualsiasi fotone che si muoveva nell’oscurità semplicemente si disperdeva sugli elettroni liberi. Solo circa 380.000 anni dopo il Big Bang queste particelle iniziarono a combinarsi in gas neutro, principalmente idrogeno, in quello che è noto come l’Epoca della Ricombinazione. Una volta che le particelle libere furono racchiuse negli atomi, la luce fu in grado di diffondersi, propagandosi in tutto l’Universo. Quella prima luce è il fondo cosmico a microonde (CMB).
Come puoi immaginare, circa 13,4 miliardi di anni dopo, il CMB è molto, molto debole e a bassa energia, quindi ci vuole molto tempo di osservazione per rilevarlo e molta analisi per estrarlo da tutte le altre fonti di luce nell’Universo. Il Telescopio Cosmologico di Atacama ha studiato il cielo per cinque anni per una mappa più dettagliata del CMB. Compilare una mappa del CMB è stato il lavoro di molti decenni, con la prima mappa dell’intero cielo rilasciata nel 2010, compilata dai dati raccolti dal telescopio spaziale Planck. Da allora, gli scienziati hanno lavorato per affinare la risoluzione della mappa per poter apprendere di più su come è nato il nostro Universo.
Questo è ciò che abbiamo ora con l’ultimo rilascio di dati da ACT, che mostra l’intensità e la polarizzazione del CMB con maggiore chiarezza che mai. La polarizzazione è il grado in cui un’onda luminosa è ruotata, che gli astronomi possono decodificare per inferire la natura degli ambienti attraverso cui la luce ha viaggiato. “Prima, potevamo vedere dove si trovavano le cose, e ora vediamo anche come si stanno muovendo,” dice Staggs. “Come usare le maree per inferire la presenza della Luna, il movimento tracciato dalla polarizzazione della luce ci dice quanto fosse forte l’attrazione gravitazionale in diverse parti dello spazio.”
Il CMB ci offre un mezzo per misurare l’evoluzione dell’Universo. Possiamo osservare lo stato attuale e in diversi momenti della storia dell’Universo, e confrontarlo con il CMB per tracciare i 13,8 miliardi di anni dal Big Bang. “Abbiamo misurato con maggiore precisione che l’Universo osservabile si estende per quasi 50 miliardi di anni luce in tutte le direzioni da noi,” dice la cosmologa Erminia Calabrese dell’Università di Cardiff nel Regno Unito, ”e contiene una massa pari a 1.900 ‘zetta-soli’, o quasi 2 trilioni di trilioni di Soli.”
La maggior parte di quella massa è invisibile. La materia barionica normale costituisce solo 100 zetta-soli della massa dell’Universo. Questo è tutto ciò che possiamo rilevare – stelle, galassie, pianeti, persone, buchi neri, gas, polvere – tutto quel materiale. Di questa materia normale, 75 zetta-soli sono idrogeno e 25 zetta-soli sono elio. Il resto degli elementi nell’Universo combinati ha così poca massa che non fa nemmeno una piega nel grafico a torta. Un’altra parte di 500 zetta-soli è costituita da materia oscura invisibile, la cui natura è sconosciuta. I restanti 1.300 zetta-soli costituiscono l’energia oscura, il nome che diamo alla forza invisibile che spinge lo spazio a espandersi più velocemente di quanto possiamo vedere.
Questo ci porta alla costante di Hubble, che rappresenta il tasso di espansione dell’Universo. Le misurazioni dell’Universo distante basate su dati come il CMB mostrano un tasso di espansione più lento rispetto alle misurazioni dell’Universo locale basate su dati come le supernove. Il primo è intorno a 67 o 68 chilometri al secondo per megaparsec, il secondo intorno a 73 o 74 chilometri al secondo per megaparsec. È piuttosto affascinante e vale la pena approfondire se ne hai l’inclinazione, ma il risultato di questa tensione è che gli astronomi stanno cercando di prendere misurazioni sempre migliori dell’Universo per cercare di colmare il divario tra i due intervalli di misurazione.
La nuova mappa del CMB ha dato una costante di Hubble di 69,9 chilometri al secondo per megaparsec. È una delle misurazioni più rigorose finora, e in buon accordo con altri valori per la costante di Hubble basati sul CMB. ”È stato leggermente sorprendente per noi non trovare nemmeno prove parziali a supporto del valore più alto,” dice Staggs. “C’erano alcune aree in cui pensavamo di poter vedere prove per spiegazioni della tensione, e semplicemente non erano presenti nei dati.”
Quindi questo è ancora un problema che deve essere risolto. Ma i calcoli ripetuti e rigorosi sembrano suggerire sempre più che o c’è qualcosa di cruciale che ci sfugge, o l’Universo è molto più strano di quanto pensassimo. Ma quella mappa arancione e blu ci sta avvicinando a capirlo, un testamento alla curiosità insaziabile e all’ingegnosità instancabile della scienza umana. “Possiamo vedere indietro attraverso la storia cosmica,” dice l’astrofisica Jo Dunkley dell’Università di Princeton. “Dalla nostra stessa Via Lattea, oltre le galassie lontane che ospitano vasti buchi neri e enormi ammassi di galassie, fino a quel tempo di infanzia.”