Abbiamo trovato le tracce delle prime stelle di sempre?

Secondo una nuova osservazione, l'Universo iniziò ad accendersi 180 milioni di anni dopo il Big Bang: se confermata, avremmo un punto di partenza certo per studiare tutto il resto

di Emanuele Menietti – @emenietti
Una delle prime stelle dell'Universo, in un'elaborazione artistica (N.R. Fuller / National Science Foundatio)

Nel mezzo di un’area desertica nell’Australia Occidentale, c’è un oggetto che ricorda un tavolo da cucina, all’apparenza semplice e rudimentale, ma che forse ha permesso di trovare le tracce delle primissime stelle dell’Universo. Se confermata nei prossimi anni da altre ricerche, la scoperta diventerà una pietra miliare per le teorie su come si formò tutto ciò che ci circonda, dalle stelle ai pianeti passando per noi stessi. I risultati della ricerca resa possibile da quel tavolo nel deserto sono stati pubblicati da poco sulla rivista scientifica Nature, e sono molto discussi tra gli astrofisici e i cosmologi (quelli che studiano l’origine dell’Universo).

Dopo il Big Bang
Prima di arrivare ai risultati del nuovo studio, dobbiamo tornare indietro nel tempo di circa 14 miliardi di anni, nell’era subito dopo il Big Bang, l’evento che secondo il modello teorico più condiviso avviò i processi di formazione dell’Universo. All’epoca non c’era un granché di entusiasmante da vedere: era tutto buio e freddo, pervaso da gas invisibili, per lo più idrogeno ed elio. In milioni di anni, le deboli interazioni gravitazionali portarono alla formazione di grandi ammassi di gas, che divennero via via più densi fino a collassare su loro stessi e ad “accendersi”, invadendo lo spazio circostante con la prima luce di sempre, visibile solo nell’ultravioletto (quindi non ai nostri occhi). Questi fenomeni altro non erano che le prime stelle, in un certo senso l’alba dell’Universo per come lo conosciamo adesso.

Partì tutto da lì. Dopo cicli di esistenza relativamente brevi, le prime stelle esplosero diventando buchi neri, mettendo le basi per quelle che sarebbero poi diventate le galassie, e producendo altri elementi pesanti, che in miliardi di anni avrebbero poi portato alla formazione dei pianeti e degli altri corpi celesti, e in ultima istanza di noi esseri umani. Questa teoria su come si formò tutto quanto ha trovato nel corso del tempo diverse conferme pratiche, ma i ricercatori hanno impiegato anni di osservazioni nella speranza di trovare indizi sulle primissime stelle per avere conferme più solide, senza grandi risultati. Ora il tavolo nel deserto australiano, che in realtà è un radio spettrometro, sembra aver fornito una risposta, o per lo meno indizi più consistenti.

Le prime stelle
Il gruppo di ricerca, che comprende astrofisici dell’Arizona State University, del MIT e dell’Università del Colorado, ha impiegato più di 10 anni per trovare il giusto segnale radio, calibrando di continuo lo strumento nel deserto australiano. Nello studio i ricercatori scrivono di avere captato le emissioni radio di ciò che resta di quell’idrogeno che anticamente interagì con le prime stelle, negli stadi iniziali dell’Universo. Le sue caratteristiche indicano che le prime si attivarono circa 180 milioni di anni dopo il Big Bang, in lieve anticipo rispetto ai modelli teorici utilizzati finora, ma comunque entro un margine di errore accettabile tale da non rimetterli in discussione. La scoperta è molto importante, perché mette un punto fisso che potrà aiutare i ricercatori a formulare meglio le teorie su cosa accadde dopo, e a verificarle tramite le osservazioni con i radiotelescopi.

L’osservazione delle prime stelle non è diretta: i ricercatori possono trovarle indirettamente rilevando gli effetti che ebbero su ciò che avevano intorno, come le nubi di idrogeno. Le radiazioni ultraviolette prodotte dalle prime stelle, alterarono lo stato del singolo elettrone che possiede ogni atomo di idrogeno. Il gas iniziò quindi ad assorbire energia dalla radiazione cosmica di fondo, la grande traccia energetica lasciata dal Big Bang. Semplificando molto: gli atomi di idrogeno assorbirono energia, che fu poi rilasciata quando tornarono al loro stadio iniziale. Secondo le teorie più diffuse, quel salto di energia può essere rilevato a una specifica frequenza radio, ed è quello che hanno provato a fare i ricercatori nel deserto dell’Australia per confermarlo nella pratica.

Osservazioni e materia oscura
Per anni hanno lavorato per calibrare il loro strumento, progettato per assorbire tutte le onde radio provenienti dal cielo, escludendo quelle non necessarie prodotte dalla nostra galassia (la Via Lattea) o dalle attività umane qui sulla Terra. Per questo il punto di osservazione scelto era nel mezzo di un deserto, a debita distanza da fonti terrestri che avrebbero potuto interferire con le rilevazioni. Nel 2015 i loro sforzi furono ripagati da un segnale molto promettente, che rese necessari due anni di verifiche per assicurarsi che fosse quello giusto.

Il radio spettrometro nel deserto dell’Australia Occidentale utilizzato per le rilevazioni (CSIRO Australia)

Il segnale trovato ha caratteristiche compatibili con i modelli teorici, ma non tutto torna come dovrebbe. Inizialmente i ricercatori avevano provato a captarlo usando le frequenze previste dai modelli, ma senza trovare nulla. Hanno allora provato in un intervallo di frequenze più basso, trovando infine un segnale, ma più intenso del previsto. Questo sembra indicare che le nubi d’idrogeno ai primordi dell’Universo fossero molto più fredde e che siano necessarie nuove ipotesi per spiegarlo.

La più affascinante, e secondo alcuni plausibile, è che in quella fase l’idrogeno avesse interagito con la cosiddetta “materia oscura”, la cosa invisibile che si ipotizza costituisca buona parte dell’Universo e su cui non sappiamo ancora molto. La materia oscura è molto fredda, quindi è possibile che ci fossero trasferimenti di calore dall’idrogeno alla materia oscura. Cedendo calore, l’idrogeno si sarebbe raffreddato, da qui le caratteristiche del segnale radio rilevato.

E adesso?
Questa ipotesi, pubblicata su Nature in una ricerca separata, potrebbe avere gigantesche implicazioni nello studio dell’Universo, se fosse confermata. L’esistenza della materia oscura è stata finora derivata dai ricercatori grazie ad analisi indirette, per esempio studiando gli effetti gravitazionali sulla luce in ammassi di numerose galassie. Il problema è che in questo modo si possono ottenere informazioni su grandi pezzi di materia oscura, non sulle singole particelle che la compongono e su come sono fatte. Se vi sta girando la testa, Priyamvada Natarajan, astrofisico teoretico di Yale, può darci una mano a capire: “È come osservare una gigantesca duna nel deserto. Sai come la sabbia l’ha formata, puoi dimostrare come viene dispersa dal vento e come viene modificata dall’acqua. Ma non sai di che cosa è fatto un singolo granello”.

Gli elementi portati dalle due nuove ricerche potrebbero aiutare a risolvere alcuni nodi delle teorie sull’origine dell’Universo, ma potrebbero anche aggiungere qualche complicazione per tenere insieme tutti i passaggi dei modelli cosmologici più condivisi. Altri ricercatori in posti diversi dal deserto dell’Australia Occidentale sono intanto al lavoro per realizzare osservazioni indipendenti, che potranno fornire nuovi dati per confermare o smentire la nuova datazione a 180 milioni di anni dopo il Big Bang per le prime stelle. Risolto il problema, lo studio degli oltre 13,5 miliardi di anni che seguirono dovrebbe comunque tenerci impegnati per un bel po’.

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