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Osservare l’alba cosmica con l’aiuto di nuovi strumenti e tecniche

Apprendere maggiori informazioni sull’epoca della reionizzazione rivelerebbe il legame determinante tra il più semplice universo primordiale della fisica delle particelle e il complesso universo di oggi. FirstDawn ha combinato strumenti di osservazione per creare un’immagine più completa di quanto fosse possibile in precedenza.

Spazio

L’epoca della reionizzazione descrive il periodo in cui il gas nell’universo è diventato elettricamente carico o ionizzato. Durante l’epoca della reionizzazione, quando l’universo aveva poche centinaia di milioni di anni, si formarono le prime strutture complesse: stelle, buchi neri e galassie. Mentre i ricercatori dell’epoca della reionizzazione sono ostacolati da evidenze osservative molto limitate, telescopi spaziali più grandi come il JWST, la nuova applicazione di radiotelescopi, insieme a una potenza di calcolo notevolmente maggiore, ora offrono un mezzo per vedere oltre nella storia cosmica. Il progetto FirstDawn, supportato dal Consiglio europeo della ricerca, ha valutato le opportunità scientifiche di questi progressi osservativi per quanto concerne la comprensione dell’epoca della reionizzazione. «Poiché ogni strumento di osservazione vede solo una parte limitata di ciò che sta accadendo, abbiamo combinato questi diversi strumenti, sviluppando nuovi modi di utilizzare i dati per apprendere quanto più possibile sull’epoca della reionizzazione», afferma Jonathan Pritchard dell’Imperial College London, l’organizzazione che ha ospitato il progetto.

Valutazione di tre nuove sonde

FirstDawn ha valutato tre nuove sonde per l’epoca della reionizzazione: il segnale globale di 21 cm, la tomografia da 21 cm e la mappatura dell’intensità delle linee atomiche e molecolari. Atomi o molecole emettono linee spettrali a frequenze specifiche, rendendole individuabili. La radiazione elettromagnetica dell’idrogeno emette una linea a 1 420 MHz o una lunghezza d’onda di 21 cm. L’osservazione di queste linee indica ai ricercatori dove è presente quell’atomo nel cielo, quanto ne esiste e quando è stato emesso. Poiché l’idrogeno costituiva gran parte del gas presente nell’universo primordiale, questo segnale globale di 21 cm, può essere utilizzato per mappare come era l’universo da circa 150 milioni di anni fino a 1 miliardo di anni. «Questo ci aiuta a rilevare quando si sono formate le prime stelle e come la loro luce riscaldava e illuminava l’idrogeno che riempiva lo spazio intergalattico», spiega Pritchard. La tomografia di 21 cm va oltre e localizza l’effetto del riscaldamento e dell’illuminazione dell’idrogeno per imparare come le galassie sono state distribuite nello spazio e come la loro luce ha ionizzato lentamente l’universo. Ciò richiede sistemi di antenne radio molto più grandi, come LOFAR e lo Square Kilometre Array, SKA. La mappatura dell’intensità meno comune cerca linee da atomi e molecole più rari, quali atomi di ossigeno o molecole di monossido di carbonio. Poiché questi atomi più pesanti sono prodotti all’interno delle stelle, indicano l’abbondanza e il tasso di formazione stellare. Confrontando le osservazioni in queste righe con quelle dell’idrogeno, i ricercatori possono costruire un quadro più completo dell’epoca della reionizzazione. Il team ha sviluppato una serie di nuovi strumenti statistici utilizzando il cosiddetto bispettro per analizzare il segnale di 21 cm. Poiché le simulazioni numeriche utilizzate per studiare la complessa fisica della reionizzazione sono un enorme esercizio di calcolo, FirstDawn ha creato un emulatore addestrando una rete neurale per approssimare simulazioni di 21 cm in modo rapido ed efficiente. Il team ha anche sviluppato modelli di diversi scenari di reionizzazione per vedere come i diversi approcci statistici potrebbero distinguerli.

Il futuro della radioastronomia

FirstDawn ha contribuito in modo significativo alla progettazione dello SKA, un importante investimento dell’UE, oltre a svolgere un ruolo centrale nella costruzione di una collaborazione scientifica internazionale incentrata sull’epoca della reionizzazione. «Lo SKA ci ha fatto pensare all’analisi dei dati in modi nuovi, ottenendo competenze altamente trasferibili. Ad esempio, uno dei miei studenti attualmente lavora per un’azienda che applica reti neurali e apprendimento automatico alla diagnosi di malattie infettive nei paesi in via di sviluppo», aggiunge Pritchard. Il team prevede di sviluppare ulteriormente la propria emulazione collegando simulazioni più sofisticate ai propri strumenti statistici e sta inoltre modificando la sua modellizzazione per rimuovere le anomalie generate dagli strumenti di osservazione al fine di massimizzare l’efficacia dei telescopi.

Parole chiave

FirstDawn, epoca della reionizzazione, universo, atomi, telescopi, emulatore, rete neurale, idrogeno, radiazione, spazio, stelle, galassie

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