La collaborazione dell’esperimento Atacama Cosmology Telescope (ACT), un progetto internazionale situato a 5200 metri nel deserto di Atacama in Cile, che in Italia include i gruppi di Elia Battistelli presso l’Università Sapienza di Roma e di Federico Nati presso l’Università di Milano-Bicocca, ha sottoposto il modello standard della cosmologia ad una nuova e rigorosa serie di test, dimostrandone la straordinaria solidità.
Le nuove immagini dell’universo primordiale mostrano i dettagli della prima luce emersa dagli albori dell’Universo con una chiarezza senza precedenti, rivelando la formazione delle antiche nubi di idrogeno ed elio che presto si sarebbero trasformate nelle prime stelle e galassie.
Le immagini più nitide dell’universo primordiale
Una nuova ricerca della collaborazione Atacama Cosmology Telescope (ACT) ha prodotto le immagini più chiare mai ottenute dell’universo primordiale, provenienti dal tempo cosmico più lontano a cui l’umanità abbia mai avuto accesso. Misurando una luce che ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni prima di raggiungere il telescopio situato sulle Ande cilene, queste immagini rivelano l’universo quando aveva circa 380.000 anni – l’equivalente di fotografie di un neonato in un cosmo ormai maturo.
A destra la nuova mappa in polarizzazione con un ingrandimento (in basso) e la regione galattica della nebulosa di Orione (in alto). Il rosso e il blu indicano il movimento nelle antiche nubi di idrogeno ed elio. Il blu mostra dove i modelli di polarizzazione della luce sono radiali, con la materia che fluisce verso l’interno; il rosso traccia i modelli di polarizzazione tangenziali, dove la materia fluisce verso l’esterno.
Credits: ACT Collaboration; ESA/Planck
“Stiamo osservando i primi passi verso la formazione delle stelle e delle galassie più antiche – ha dichiarato Suzanne Staggs, direttrice di ACT e docente di fisica alla Princeton University – E non vediamo solo chiaro e scuro, ma anche la polarizzazione della luce ad alta risoluzione. Questo è un elemento distintivo che differenzia ACT da Planck e da altri telescopi precedenti“,
Le nuove immagini della radiazione cosmica di fondo (CMB) forniscono una risoluzione più alta rispetto a quelle ottenute più di un decennio fa dal telescopio spaziale Planck. Misurando sia l’intensità che la polarizzazione della luce con ACT, ora abbiamo una seconda immagine ad alta fedeltà dello stesso momento cosmico. L’immagine della polarizzazione svela il movimento dettagliato della materia nell’infanzia cosmica. “Prima potevamo vedere dove si trovavano le cose, ora possiamo anche vedere come si muovono – ha detto Staggs – Proprio come le maree rivelano la presenza della Luna, il movimento tracciato dalla polarizzazione della luce ci dice quanto fosse forte l’attrazione gravitazionale in diverse regioni dello spazio“.
“Nelle prime centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang – spiega Elia Battistelli, professore di fisica della Sapienza di Roma – il plasma primordiale era così caldo che la luce non poteva propagarsi liberamente, rendendo l’universo di fatto opaco. La CMB rappresenta il primo stadio della storia dell’universo che possiamo osservare“.
“Le immagini forniscono una visione straordinariamente dettagliata delle variazioni, per quanto minime, nella densità e nella velocità dei gas. Quello che sembrano nuvole sfocate nell’intensità della luce sono in realtà regioni più e meno dense in un mare di idrogeno ed elio, colline e valli che si estendono per milioni di anni luce – aggiunge Federico Nati, professore dell’Università di Milano-Bicocca – Nei miliardi di anni successivi, la gravità ha attirato le regioni più dense di gas, dando origine a stelle e galassie“.
Queste immagini dettagliate dell’universo appena nato stanno aiutando gli scienziati a rispondere a domande di lunga data sulle origini del cosmo. “Osservando quel periodo, quando tutto era molto più semplice, possiamo ricostruire la storia di come l’universo si è evoluto fino alla complessità che vediamo oggi“, ha spiegato Jo Dunkley, docente di fisica e scienze astrofisiche a Princeton e responsabile dell’analisi di ACT
“Abbiamo misurato con precisione che l’universo osservabile si estende per quasi 50 miliardi di anni luce in tutte le direzioni e contiene una quantità di massa equivalente a quasi 2 trilioni di trilioni di Soli“, ha dichiarato Erminia Calabrese, docente di astrofisica all’Università di Cardiff. Di questi solo una minima parte rappresenta la materia normale – quella che possiamo osservare e misurare. Il resto è costituito da materia oscura e dall’energia oscura, le misteriose componenti che permeano il cosmo.
La tensione di Hubble
Negli ultimi anni, i cosmologi hanno ottenuto misure in leggero ma chiaro disaccordo sulla costante di Hubble, un parametro della teoria cosmologica che misura il tasso di espansione dello spazio. Le misurazioni basate sulla radiazione cosmica di fondo indicano costantemente un tasso di espansione di 67-68 km/s/Mpc, mentre le misure delle galassie vicine suggeriscono un valore più alto, fino a 73-74 km/s/Mpc. I nuovi dati di ACT confermano il valore più basso con una precisione persino maggiore.
Uno degli obiettivi principali dello studio era testare modelli alternativi che potessero spiegare la discrepanza, tuttavia i dati ACT non mostrano alcuna evidenza di nuove particelle o effetti non previsti dal modello standard e restringono ulteriormente il campo delle alternative possibili.
Il futuro della cosmologia
La radiazione cosmica di fondo misurata da ACT trasporta segnali estremamente deboli, difficilissimi da isolare dalle possibili contaminazioni. “Per ottenere queste nuove immagini, abbiamo effettuato un’esposizione di cinque anni con un telescopio sensibile alle lunghezze d’onda millimetriche”, ha spiegato Mark Devlin, vicedirettore del progetto. ACT ha completato le sue osservazioni nel 2022 e l’attenzione si sta ora spostando verso il più avanzato Simons Observatory, situato nella stessa area del deserto di Atacama, in Cile, per il quale Federico Nati presso l’Università di Milano-Bicocca guida un ambizioso programma di calibrazione che fa uso di stelle artificiali trasportate da droni, grazie al prestigioso finanziamento europeo ERC Advanced.
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