Il segnale cosmico proveniente dall’universo primordiale aiuterà gli astronomi a rilevare le prime stelle

Un gruppo internazionale di astronomi guidati dall’Università di Cambridge ha dimostrato che saremo in grado di conoscere le masse delle prime stelle studiando uno specifico segnale radio – creato da atomi di idrogeno che riempiono gli spazi tra le regioni di formazione stellare – originato appena cento milioni di anni dopo il Big Bang.

Capire come l’universo sia passato dall’oscurità alla luce con la formazione delle prime stelle e galassie è un punto di svolta chiave nello sviluppo dell’universo, noto come l’Alba Cosmica.

Tuttavia, anche con i telescopi più potenti, non possiamo osservare direttamente queste stelle più antiche, quindi determinare le loro proprietà è una delle maggiori sfide in astronomia.

Ora, un gruppo internazionale di astronomi guidati dall’Università di Cambridge ha dimostrato che saremo in grado di conoscere le masse delle prime stelle studiando uno specifico segnale radio – creato da atomi di idrogeno che riempiono gli spazi tra le regioni di formazione stellare – originato appena cento milioni di anni dopo il Big Bang.

Studiando come le prime stelle e i loro resti hanno influenzato questo segnale, chiamato segnale di 21 centimetri, i ricercatori hanno dimostrato che i futuri radiotelescopi ci aiuteranno a capire l’universo primordiale e come si è trasformato da una massa quasi omogenea di idrogeno, all’incredibile complessità che vediamo oggi. I loro risultati sono riportati sulla rivista Nature Astronomy.

“Questa è un’opportunità unica per imparare come la prima luce dell’universo è emersa dall’oscurità”, ha detto la coautrice, la professoressa Anastasia Fialkov dell’Istituto di Astronomia di Cambridge.

“La transizione da un universo freddo e buio a uno pieno di stelle è una storia che stiamo solo iniziando a capire”.

Lo studio delle stelle più antiche dell’universo si basa sul debole bagliore del segnale di 21 centimetri, un segnale di energia sottile di oltre 13 miliardi di anni fa.

Questo segnale, influenzato dalla radiazione proveniente dalle stelle primordiali e dai buchi neri, fornisce una rara finestra sull’infanzia dell’universo.

Fialkov guida il gruppo teorico di REACH (il Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen). REACH è un’antenna radio ed è uno dei due grandi progetti che potrebbero aiutarci a conoscere l’Alba Cosmica e l’Epoca della Reionizzazione, quando le prime stelle reionizzarono atomi di idrogeno neutro nell’universo.

Sebbene REACH, che cattura i segnali radio, sia ancora in fase di calibrazione, promette di rivelare dati sull’universo primordiale. Nel frattempo, lo Square Kilometre Array (SKA), una massiccia schiera di antenne in costruzione, mapperà le fluttuazioni dei segnali cosmici in vaste regioni del cielo.

Entrambi i progetti sono fondamentali per sondare le masse, le luminosità e la distribuzione delle prime stelle dell’universo.

Nel presente studio, Fialkov – che è anche un membro di SKA – e i suoi collaboratori hanno sviluppato un modello che fa previsioni per il segnale di 21 centimetri sia per REACH che per SKA, e hanno scoperto che il segnale è sensibile alle masse delle prime stelle.

“Siamo il primo gruppo a modellare in modo coerente la dipendenza del segnale di 21 centimetri dalle masse delle prime stelle, compreso l’impatto della luce stellare ultravioletta e le emissioni di raggi X dalle binarie a raggi X prodotte quando le prime stelle muoiono”, ha detto Fialkov, che è anche membro del Kavli Institute for Cosmology di Cambridge.

“Queste intuizioni derivano da simulazioni che integrano le condizioni primordiali dell’universo, come la composizione idrogeno-elio prodotta dal Big Bang”.

Nello sviluppo del loro modello teorico, i ricercatori hanno studiato come il segnale di 21 centimetri reagisce alla distribuzione di massa delle prime stelle, note come stelle di Popolazione III.

Hanno scoperto che studi precedenti hanno sottostimato questa connessione in quanto non hanno tenuto conto del numero e della luminosità delle binarie a raggi X – sistemi binari costituiti da una stella normale e una stella collassata – tra le stelle di Popolazione III e di come influenzano il segnale di 21 centimetri.

A differenza dei telescopi ottici come il James Webb Space Telescope, che catturano immagini vivide, la radioastronomia si basa sull’analisi statistica di segnali deboli.

REACH e SKA non saranno in grado di fotografare singole stelle, ma forniranno invece informazioni su intere popolazioni di stelle, sistemi binari a raggi X e galassie.

“Ci vuole un po’ di immaginazione per collegare i dati radio alla storia delle prime stelle, ma le implicazioni sono profonde”, ha detto Fialkov.

“Le previsioni che stiamo riportando hanno enormi implicazioni per la nostra comprensione della natura delle primissime stelle nell’Universo”, ha detto il co-autore Eloy de Lera Acedo, Principal Investigator del telescopio REACH e PI a Cambridge delle attività di sviluppo di SKA.

“Mostriamo prove che i nostri radiotelescopi possono dirci dettagli sulla massa di quelle prime stelle e su come queste prime luci potrebbero essere state molto diverse dalle stelle di oggi.

“I radiotelescopi come REACH sono promettenti per svelare i misteri dell’Universo neonato, e queste previsioni sono essenziali per guidare le osservazioni radio che stiamo facendo dal Karoo, in Sud Africa”.

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