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Dalle onde radio nuovi indizi sulla ‘prima luce’ dell’Universo

All’inizio non c’era alcuna luce, e poi fu il Big Bang! Già, di fatto il Big Bang creò il nostro Universo 13,7 miliardi di anni fa, ma subito dopo lo spazio fu dominato dall’oscurità. Dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo, gli astronomi hanno ipotizzato che alcune centinaia di milioni di anni dopo la nascita dell’Universo, la gravità assemblò gli atomi diidrogeno e di elio per formare le prime nubi di gas. L’energia liberatasi durante questo processo surriscaldò alla fine le nubi mettendo in moto una catena di eventi che portarono alla nascita delle prime stelle. Nonostante la transizione tra la cosiddetta “età scura” e la nascita delle prime stelle e delle prime galassie potrebbe spiegare l’origine e l’evoluzione di molti corpi celesti, tuttavia gli astronomi conoscono ancora molto poco circa questa fase dell’evoluzione cosmica.

Di recente, due astronomi hanno condotto un esperimento per cercare di capire qualcosa di più circa questo periodo di transizione, noto come epoca della reionizzazione (Epoch Of Reionization, EOR). Ora, dato che è impossibile identificare la radiazione associata alle galassie primordiali, Alan Rogers del MIT Haystack Observatory e Judd Bowmann dell’Arizona State University si sono concentrati sulla ricerca delle onde radio che sono state emesse dall’idrogeno primordiale all’epoca presente nelle nasciture galassie. Alcune onde radio stanno, di fatto, raggiungendoci oggi e perciò esse potrebbero trasportare qualche informazione relativa al periodo dell’EOR. Appena le prime stelle cominciarono a formarsi durante l’epoca EOR, la loro radiazione ultravioletta eccitò gli atomi d’idrogeno più vicini, liberando gli elettroni e dando loro una carica positiva. Questo processo, noto comeionizzazione, è importante in cosmologia dato che segna un momento fondamentale nel periodo di transizione tra l’Universo primordiale, che conteneva solo idrogeno ed elio, e l’Universo di oggi dove osserviamo pianeti, stelle e galassie. Determinare esattamente quando, e per quanto tempo, questo processo di ionizzazione sia avvenuto costituisce un passo importante per confermare o modificare gli attuali modelli sull’evoluzione dell’Universo. I dati delle analisi indicano che ci sono voluti almeno 5 milioni di anni prima che l’idrogeno diventasse un gas ionizzato. E’ una grande coincidenza il fatto che la nascita delle prime stelle e delle prime galassie abbia richiesto la stessa quantità di tempo, o forse più, per diventare successivamente i corpi celesti che vediamo oggi come stelle e galassie.

L’Universo delle origini attraversò una fase di ‘surriscaldamento globale’

Circa 11 miliardi di anni fa, l’Universo attraversò una fase di riscaldamento globale. Come conseguenza di ciò, l’attività dei buchi neri influenzò l’evoluzione di alcune galassie di piccole dimensioni per un periodo di circa 500 milioni di anni. Questa è la conclusione di un gruppo di astronomi che hanno utilizzato i dati del telescopio spaziale Hubble esplorando le regioni più antiche e più remote del nostro Universo.

La figura mostra l’evoluzione dell’Universo dal Big Bang ad oggi. Subito dopo la nascita dell’Universo la radiazione proveniente dalle prime stelle riscaldò gli atomi di idrogeno nel processo di reionizzazione. Ad epoche successive i quasar, grazie all’intensa attività dei buchi neri, produssero radiazione ultravioletta che rionizzò gli atomi di elio.
Credit: NASA, ESA e A. Feild (STScI)

Grazie alle misure effettuate con lo spettrografo COS (Cosmic Origins Spectrograph), i ricercatori hanno identificato una epoca, 11,7-11,3 miliardi di anni fa, quando gli atomi di elio persero, per così dire, gli elettroni. Questo processo di ionizzazione riscaldò il gas intergalattico inibendo il collasso gravitazionale che avrebbe portato alla nascita di nuovestelle nelle galassie più piccole, diffondendo il gas nello spazio. L’Universo attraversò così una fase di riscaldamento globale nel momento in cui la radiazione emessa dalle stelle massicce ionizzò gli atomi di idrogeno subito dopo il Big Bang. Questa epoca viene chiamata di re-ionizzazione a causa del fatto che i nuclei degli atomi di idrogeno si trovavano originariamente in uno stato ionizzato appena nato l’Universo.

Hubble ha permesso di determinare un periodo di circa 2 miliardi di anni prima che l’Universo producesse radiazione ultravioletta per rionizzare gli atomi di elio che erano stati prodotti in seguito al Big Bang. Ma questa radiazione di alta energia non proveniva dalle stelle bensì dai quasar. Di fatto, l’epoca in cui gli atomi di elio vennero ionizzati coincide proprio con il periodo in cui i quasar furono più abbondanti.

In altre parole, durante le epoche primordiali l’Universo fu un posto alquanto “rumoroso”, potremmo dire, perchè le galassie interagivano frequentemente e questo alimentava l’attività dei buchi neri nucleari. Questi ultimi convertivano rapidamente e violentemente parte dell’energia gravitazionale, dovuta alla caduta del gas verso le regioni del nucleo galattico, in radiazione ultravioletta che successivamente avrebbe fatto brillare le galassie. Inoltre, essa riscaldò il gas intergalattico formato principalmente da atomi di elio e una volta che essi vennero rionizzati il gas si raffreddò nuovamente e finalmente le galassie nane cominciarono ad assemblarsi.

ArXiv1: COSMIC ORIGINS SPECTROGRAPH DETECTION OF Ne VIII: TRACING WARM – HOT GAS TOWARDS PKS 0405 − 123

 ArXiv2: HUBBLE/COS OBSERVATIONS OF THE QUASAR HE 2347−4342: PROBING THE EPOCH OF He II PATCHY REIONIZATION AT REDSHIFTS Z = 2.4 − 2.9