Una recente ricerca condotta dalla collaborazione dell’Atacama Cosmology Telescope (ACT) ha prodotto le immagini più chiare e precise mai ottenute dell’infanzia dell’universo, ovvero la radiazione cosmica di fondo (CMB) visibile solo 380.000 anni dopo il Big Bang. Questa nuova mappa del cielo ha sottoposto il modello standard della cosmologia a una rigorosa serie di nuovi test, dimostrando la sua notevole robustezza.
Le nuove immagini dell’universo primordiale, che mostrano sia l’intensità che la polarizzazione della luce più antica con una chiarezza senza precedenti, rivelano la formazione di antiche nubi di idrogeno ed elio in fase di consolidamento che in seguito si sono evolute nelle prime galassie e stelle. Questa nuova informazione svela il movimento degli antichi gas nell’universo quando aveva meno di mezzo milione di anni, attratti dalla forza di gravità nel primo passo verso la formazione delle galassie. La banda rossa visibile in alcune immagini proviene dalla nostra più vicina Via Lattea.
Queste nuove immagini della radiazione di fondo, nota come CMB, aggiungono una definizione superiore a quelle osservate più di un decennio fa dal telescopio spaziale Planck. “ACT ha una risoluzione cinque volte maggiore di Planck e una maggiore sensibilità”, afferma Sigurd Naess, ricercatore all’Università di Oslo e autore principale di uno dei numerosi articoli relativi al progetto. “Questo significa che il debole segnale di polarizzazione è ora direttamente visibile”.
L’immagine di polarizzazione rivela il movimento dettagliato del gas di idrogeno ed elio nell’infanzia cosmica. “Prima, potevamo vedere dove si trovavano le cose, e ora vediamo anche come si muovono”, spiega Suzanne Staggs, direttrice di ACT e professoressa di fisica presso la Princeton University. “Come usare le maree per dedurre la presenza della luna, il movimento tracciato dalla polarizzazione della luce ci dice quanto fosse forte l’attrazione gravitazionale in diverse parti dello spazio”.
I nuovi risultati confermano un modello semplice dell’universo e hanno escluso la maggior parte delle alternative concorrenti, afferma il team di ricerca. Il lavoro non è ancora stato sottoposto a revisione paritaria, ma i ricercatori presenteranno i loro risultati alla conferenza annuale dell’American Physical Society il 19 marzo.
Nei primi centomila anni dopo il Big Bang, il plasma primordiale che riempiva l’universo era così caldo che la luce non poteva propagarsi liberamente, rendendo l’universo effettivamente opaco. La CMB rappresenta la prima fase della storia dell’universo che possiamo osservare, in pratica, la “foto da bambino” dell’universo.
Le nuove immagini offrono una visione straordinariamente chiara di sottilissime variazioni nella densità e nella velocità dei gas che riempivano l’universo giovane. Quelle che appaiono come nubi indistinte nell’intensità della luce sono regioni più o meno dense in un mare di idrogeno ed elio, colline e valli che si estendono per milioni di anni luce. Nei successivi milioni o miliardi di anni, la gravità ha attratto le regioni di gas più dense verso l’interno per costruire stelle e galassie.
Queste immagini dettagliate dell’universo neonato stanno aiutando gli scienziati a rispondere a domande di lunga data sulle origini dell’universo. “Guardando indietro a quel tempo in cui le cose erano molto più semplici, possiamo ricostruire la storia di come il nostro universo si è evoluto nel luogo ricco e complesso in cui ci troviamo oggi”, afferma Jo Dunkley, professoressa di fisica e scienze astrofisiche presso la Princeton University e responsabile dell’analisi ACT.
“Abbiamo misurato più precisamente che l’universo osservabile si estende per quasi 50 miliardi di anni luce in tutte le direzioni da noi e contiene una massa pari a 1.900 ‘zetta-soli’, o quasi 2 trilioni di trilioni di soli”, afferma Erminia Calabrese, professoressa di astrofisica all’Università di Cardiff e autrice principale di uno dei nuovi articoli. Di questi 1.900 zetta-soli, la massa della materia normale – quella che possiamo vedere e misurare – costituisce solo 100. Altri 500 zetta-soli di massa sono misteriosa materia oscura, e l’equivalente di 1.300 è la dominante energia del vuoto (chiamata anche energia oscura) dello spazio vuoto. Le minuscole particelle di neutrino costituiscono al massimo quattro zetta-soli di massa. Della materia normale, tre quarti della massa sono idrogeno e un quarto elio. “Quasi tutto l’elio nell’universo è stato prodotto nei primi tre minuti del tempo cosmico”, afferma Thibaut Louis, ricercatore del CNRS presso l’IJCLab, Università Paris-Saclay e uno degli autori principali dei nuovi articoli. “Le nostre nuove misurazioni della sua abbondanza concordano molto bene con i modelli teorici e con le osservazioni nelle galassie”. Gli elementi di cui siamo fatti noi umani sono stati formati in seguito nelle stelle.
Le nuove misurazioni di ACT hanno anche affinato le stime per l’età dell’universo e la velocità con cui si sta espandendo oggi. I nuovi dati confermano che l’età dell’universo è di 13,8 miliardi di anni, con un’incertezza di solo lo 0,1%.
Negli ultimi anni, i cosmologi hanno discusso sulla costante di Hubble, il tasso di espansione dello spazio oggi. Le misurazioni derivate dalla CMB hanno costantemente mostrato un tasso di espansione da 67 a 68 chilometri al secondo per Megaparsec, mentre le misurazioni derivate dal movimento delle galassie vicine indicano una costante di Hubble fino a 73-74 km/s/Mpc. Utilizzando i loro dati appena rilasciati, il team ACT ha misurato la costante di Hubble con maggiore precisione. La loro misurazione corrisponde alle precedenti stime derivate dalla CMB. “Abbiamo preso questa misurazione completamente nuova del cielo, ottenendo un controllo indipendente del modello cosmologico, e i nostri risultati mostrano che regge”, afferma Adriaan Duivenvoorden, ricercatore presso il Max Planck Institute for Astrophysics e autore principale di uno dei nuovi articoli. Un obiettivo principale del lavoro era quello di studiare modelli alternativi per l’universo che potessero spiegare la discrepanza. “Volevamo vedere se potevamo trovare un modello cosmologico che corrispondesse ai nostri dati e prevedesse anche un tasso di espansione più rapido”, afferma Colin Hill, professore assistente alla Columbia University e uno degli autori principali dei nuovi articoli. “I dati ACT non mostrano alcuna evidenza di tali nuovi segnali. Con i nostri nuovi risultati, il modello standard della cosmologia ha superato un test straordinariamente preciso”.
Per effettuare questa nuova misurazione, è stata necessaria un’esposizione di 5 anni con un telescopio sensibile sintonizzato per osservare la luce a onde millimetriche. ACT ha completato le sue osservazioni nel 2022 e l’attenzione si sta ora rivolgendo al nuovo e più capace Simons Observatory situato nella stessa località in Cile. I nuovi dati ACT sono condivisi pubblicamente nell’archivio LAMBDA della NASA.
In sintesi, le nuove immagini dell’ACT forniscono uno sguardo senza precedenti sull’universo nella sua infanzia, confermando il modello cosmologico standard e affinando le nostre stime dei parametri fondamentali dell’universo. Questo lavoro rappresenta un passo significativo nella nostra comprensione delle origini e dell’evoluzione del cosmo.
Stefano Camilloni
