Nuove immagini dell’universo infantile catturate dal Telescopio Cosmologico di Atacama (ACT) sono le “foto del bambino” più precise fino ad oggi dei “primi passi” del cosmo verso la formazione delle prime stelle e galassie. Le immagini del fondo cosmico a microonde (CMB), che è un relitto fossile della prima luce nell’universo, rivelano com’era il cosmo di 13,8 miliardi di anni fa appena 380.000 anni dopo il Big Bang. Questo incredibile risultato di ACT ha aiutato gli scienziati a convalidare il modello standard della cosmologia, la migliore descrizione che abbiamo della formazione e dell’evoluzione dell’universo. Oltre a dimostrare che questo modello è incredibilmente robusto, le immagini di ACT mostrano l’intensità e la polarizzazione della luce primordiale con una chiarezza senza precedenti. Un pezzo della nuova immagine mostra le direzioni di vibrazione (o polarizzazione) della radiazione. L’ingrandimento a destra è alto 10 gradi. La luce polarizzata vibra in una direzione particolare; il blu mostra dove le direzioni di vibrazione della luce circostante sono angolate verso di essa, come i raggi di una bicicletta; l’arancione mostra i luoghi in cui le direzioni di vibrazione circondano essa. I nuovi dati di ACT hanno rivelato il movimento dei gas antichi nell’universo mentre sono attratti dalla gravità. Questo mostra la formazione di antiche nubi di idrogeno ed elio che successivamente collasseranno per dare vita alle prime stelle. Pertanto, questo costituisce il primo passo dell’universo verso la formazione delle galassie.
“Stiamo vedendo i primi passi verso la creazione delle prime stelle e galassie,” ha detto in una dichiarazione il direttore di ACT e ricercatore dell’Università di Princeton Suzanne Staggs. “E non stiamo solo vedendo luce e oscurità; stiamo vedendo la polarizzazione della luce ad alta risoluzione. Questo è un fattore determinante che distingue ACT da Planck e altri telescopi precedenti.” Nonostante abbia fornito agli scienziati molte informazioni sulle condizioni dell’universo primordiale, queste nuove scoperte di ACT non contenevano indizi che potessero aiutare a risolvere uno dei maggiori problemi della nostra comprensione dell’evoluzione cosmica: la cosiddetta “tensione di Hubble.”
A sinistra c’è una parte della nuova immagine di metà cielo dal Telescopio Cosmologico di Atacama, aggiunta alle misurazioni del satellite Planck. Tre lunghezze d’onda della luce sono state combinate insieme per evidenziare la Via Lattea in viola e il fondo cosmico a microonde in grigio. Il cielo è ruotato per evidenziare la parte della Via Lattea che ospita la Nebulosa di Orione, mostrata nell’ingrandimento alto 5 gradi a destra.
La prima luce del bambino
Prima di circa 380.000 anni dopo il Big Bang, l’universo era un luogo oscuro, letteralmente. Questo perché il cosmo era così caldo e denso in quel momento che era riempito con un mare di plasma pieno di elettroni non legati che disperdevano incessantemente i fotoni, le particelle che compongono la luce. Questo significava che la luce non poteva viaggiare attraverso il cosmo senza ostacoli, e quindi, il cosmo era opaco come una fitta nebbia. Una volta che l’universo si espanse e si raffreddò abbastanza (fino a circa 3000 Kelvin, approssimativamente 4.900 gradi Fahrenheit o 2.700 gradi Celsius), gli elettroni furono in grado di legarsi con i protoni e formare i primi atomi neutri di idrogeno ed elio, i primi elementi. Questo significava che i fotoni improvvisamente non erano più dispersi incessantemente e potevano viaggiare liberamente. Improvvisamente, dopo questo evento chiamato “ultima dispersione,” l’universo era trasparente. Questa prima luce è vista oggi come il CMB. Anche se riempie il cosmo quasi ovunque, ci sono piccole variazioni nel CMB, che gli scienziati chiamano “anisotropie,” lasciate da piccole fluttuazioni nella densità della materia durante l’ultima dispersione. Il fatto che questa luce fossile cosmica sia il più lontano nel tempo che gli astronomi possono sperare di vedere con la luce, e poiché è stata presente fin dall’epoca più antica del cosmo, il CMB è un eccellente modo per tracciare l’evoluzione dell’universo.
Queste linee di polarizzazione nere nell’ACT sono utilizzate per determinare quanta polarizzazione di tipo radiale (blu) o di tipo tangenziale (rosso) c’è intorno a qualsiasi punto del cielo. Dalla sua posizione alta nelle Ande cilene, ACT ha catturato questa luce, che ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni. Prima di questi dati di ACT, l’immagine più precisa e dettagliata del CMB era stata fornita dal telescopio spaziale Planck. “ACT ha una risoluzione cinque volte superiore a quella di Planck e una maggiore sensibilità,” ha detto in una dichiarazione il membro del team e ricercatore dell’Università di Oslo Sigurd Naess. “Questo significa che il debole segnale di polarizzazione è ora direttamente visibile. Ci sono altri telescopi contemporanei che misurano la polarizzazione con basso rumore, ma nessuno di loro copre tanto cielo quanto ACT.” Questa firma della polarizzazione è importante perché rivela come i gas di idrogeno ed elio si muovevano quando l’universo era nella sua infanzia e riempito solo con tracce di altri elementi più pesanti. “Prima, potevamo vedere dove erano le cose, e ora vediamo anche come si stanno muovendo,” ha detto Staggs. “Come usare le maree per inferire la presenza della luna, il movimento tracciato dalla polarizzazione della luce ci dice quanto era forte l’attrazione della gravità in diverse parti dello spazio.”
Una nuova immagine della radiazione di fondo cosmico a microonde, aggiungendo alta definizione dal Telescopio Cosmologico di Atacama a un’immagine precedente del satellite Planck. L’ingrandimento è di 10 gradi, o venti volte la larghezza della luna vista dalla Terra, e mostra una piccola porzione della nuova immagine di metà cielo. Con i dati di ACT, i ricercatori potrebbero anche vedere variazioni incredibilmente sottili nella densità e nella velocità dei gas che riempivano l’universo giovane. Questo include quelle che sembrano essere regioni di alta e bassa densità in questo mare di idrogeno ed elio primordiale. Queste prime colline e valli cosmiche si estendono per milioni di anni luce, e nei miliardi di anni dopo lo scatto di ACT, la gravità ha tirato le loro regioni più dense verso l’interno per dare vita a stelle che poi hanno formato le prime galassie. “Guardando indietro a quel tempo, quando le cose erano molto più semplici, possiamo ricostruire la storia di come il nostro universo si è evoluto fino al luogo ricco e complesso in cui ci troviamo oggi,” ha detto il leader dell’analisi di ACT e ricercatore dell’Università di Princeton Jo Dunkley.
Un viaggio indietro nel tempo cosmico
Questo viaggio cosmico indietro nel tempo ha rivelato che l’universo osservabile si estende per quasi 50 miliardi di anni luce in tutte le direzioni intorno a noi. La massa dell’universo è stata calcolata essere equivalente a circa 2 trilioni di trilioni (2 seguito da 36 zeri) di soli, o 1.900 “zetta-soli” (uno “zetta” si riferisce a una stella ipotetica così grande che ha una massa 10^21 volte quella del sole). Di questo totale, solo 100 zetta soli sono composti dalla materia ordinaria che vediamo intorno a noi quotidianamente. Tre quarti di questa massa è idrogeno, e un quarto è elio. Altri 500 zetta soli di massa sono rappresentati dalla materia oscura, mentre 1.300 zetta soli di massa sono rappresentati dall’energia oscura, la misteriosa forza che guida l’accelerazione dell’espansione del cosmo. Particelle minuscole senza carica e quasi senza massa chiamate neutrini rappresentano circa quattro zetta-soli di massa. Queste particelle sono chiamate i fantasmi dello zoo delle particelle perché sono così debolmente interagenti e ubiquitarie che circa 100 trilioni (10 seguito da 13 zeri) di neutrini passano attraverso il tuo corpo ogni secondo, passando completamente inosservati. Queste quantità concordano bene sia con i modelli teorici del cosmo che con le osservazioni delle galassie. L’universo osservabile contiene tanta massa quanto 1.900 “zetta-soli,” o 1.900 miliardi di trilioni di volte la massa del nostro sole. I grafici a torta mostrano quanto di questo è composto da diversi ingredienti. Quasi tutta la materia regolare nell’universo è idrogeno ed elio.
Le nuove scoperte di ACT hanno anche affinato le stime dell’età dell’universo, conformandosi a stime di 13,8 miliardi di anni, con un’incertezza di solo lo 0,1%, e il tasso a cui il cosmo si è espanso nelle sue ere precedenti. Questo è possibile perché la materia nell’universo primordiale ha inviato onde attraverso lo spazio come increspature che si diffondono in cerchi su uno stagno. Queste increspature sono “congelate” nel fossile cosmico che è il CMB. “Un universo più giovane avrebbe dovuto espandersi più rapidamente per raggiungere le sue dimensioni attuali, e le immagini che misuriamo sembrerebbero raggiungerci da più vicino,” ha detto il vice direttore di ACT e ricercatore dell’Università della Pennsylvania Mark Devlin. “L’estensione apparente delle increspature nelle immagini sarebbe più grande in quel caso, nello stesso modo in cui un righello tenuto più vicino al tuo viso appare più grande di uno tenuto a distanza di un braccio.”
Affrontare il “problema di Hubble”
Uno dei principali problemi che affronta la cosmologia oggi è l’esistenza della “tensione di Hubble.” Questa è la disparità nel tasso a cui l’universo si espande, un valore chiamato costante di Hubble, a seconda di come viene misurata questa espansione. Utilizzando misurazioni del movimento delle galassie vicine, gli scienziati calcolano che la costante di Hubble è di 73 a 74 chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc). Questo è maggiore del valore che gli scienziati ottengono utilizzando il CMB per ottenere la costante di Hubble, che è di 67 a 68 km/s/Mpc. Utilizzando queste immagini ad alta risoluzione del CMB, come visto da ACT, il team ha ottenuto nuove misurazioni della costante di Hubble. Hanno trovato che queste sono in accordo con le precedenti misurazioni della costante di Hubble fatte utilizzando il CMB. Uno degli obiettivi principali dei dati di ACT era investigare un modello cosmico alternativo che potesse spiegare la tensione di Hubble. Queste alternative includevano il cambiamento del comportamento dei neutrini e l’aggiunta di un ulteriore periodo di espansione cosmica accelerata nell’universo primordiale. “Volevamo vedere se potevamo trovare un modello cosmologico che corrispondesse ai nostri dati e che prevedesse anche un tasso di espansione più rapido,” ha detto il ricercatore della Columbia University Colin Hill, che ha utilizzato i dati di ACT in una nuova ricerca. “Abbiamo utilizzato il CMB come un rilevatore di nuove particelle o campi nell’universo primordiale, esplorando terreni precedentemente inesplorati.” Hill ha aggiunto che i dati di ACT non hanno mostrato evidenze di tali nuovi segnali, il che significa che il modello standard della cosmologia ha superato un test estremamente preciso della sua accuratezza. “È stato leggermente sorprendente per noi non trovare nemmeno prove parziali a supporto del valore più alto,” ha detto Staggs. “C’erano alcune aree in cui pensavamo di poter vedere alcune prove parziali per spiegazioni della tensione, e semplicemente non erano presenti nei dati.” ACT ha completato le sue osservazioni nel 2022 ed è stato dismesso. Gli astronomi ora stanno rivolgendo la loro attenzione al nuovo e più capace Osservatorio Simons nella stessa posizione in Cile. I nuovi dati di ACT sono condivisi pubblicamente nell’archivio LAMBDA della NASA, mentre i documenti derivati da questi dati di ACT sono disponibili sul sito web del Telescopio Cosmologico di Atacama di Princeton.