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Nuove immagini ad alta definizione dell’universo primordiale dall’Atacama Cosmology Telescope nel deserto cileno

Una nuova ricerca nell’ambito della collaborazione internazionale Atacama Cosmology Telescope (ACT), a cui ha preso parte anche la Sapienza, ha prodotto le immagini più chiare mai ottenute dell’universo primordiale, rivelando la formazione delle antiche nubi di idrogeno ed elio che presto si sarebbero trasformate nelle prime stelle e galassie.

La collaborazione dell’esperimento Atacama Cosmology Telescope (ACT), un progetto internazionale situato a 5200 m nel deserto di Atacama in Cile, che in Italia include i gruppi di Elia Battistelli presso l’Università Sapienza di Roma (di cui fanno parte anche Giovanni Isopi, Eleonora Barbavara, e Valentina Capalbo), e di Federico Nati presso l’Università di Milano-Bicocca, ha sottoposto il modello standard della cosmologia ad una nuova e rigorosa serie di test, dimostrandone la straordinaria solidità. Le nuove immagini dell’universo primordiale mostrano i dettagli della prima luce emersa dagli albori dell’Universo con una chiarezza senza precedenti, rivelando la formazione delle antiche nubi di idrogeno ed elio che presto si sarebbero trasformate nelle prime stelle e galassie.

a sinistra la nuova mappa a mezzocielo, in intensità, della radiazione di fondo cosmico realizzata dall'Atacama Cosmology Telescope, in aggiunta a quelle di Planck. In basso, un ingrandimento della stessa di 10 x 10 gradi, in cui i punti rossi rappresentano galassie e i punti blu ammassi di galassie. È visibile anche la galassia dello Scultore. Il rosso e il blu indicano regioni più calde e più fredde.A destra la nuova mappa in polarizzazione con un ingrandimento (in basso) e la regione galattica della nebulosa di Orione (in alto). Il rosso e il blu indicano il movimento nelle antiche nubi di idrogeno ed elio. Il blu mostra dove i modelli di polarizzazione della luce sono radiali, con la materia che fluisce verso l'interno; il rosso traccia i modelli di polarizzazione tangenziali, dove la materia fluisce verso l'esterno. Crediti per le immagini: ACT Collaboration; ESA/Planck — a sinistra la nuova mappa a mezzocielo, in intensità, della radiazione di fondo cosmico realizzata dall’Atacama Cosmology Telescope, in aggiunta a quelle di Planck. In basso, un ingrandimento della stessa di 10 x 10 gradi, in cui i punti rossi rappresentano galassie e i punti blu ammassi di galassie. È visibile anche la galassia dello Scultore. Il rosso e il blu indicano regioni più calde e più fredde.
A destra la nuova mappa in polarizzazione con un ingrandimento (in basso) e la regione galattica della nebulosa di Orione (in alto). Il rosso e il blu indicano il movimento nelle antiche nubi di idrogeno ed elio. Il blu mostra dove i modelli di polarizzazione della luce sono radiali, con la materia che fluisce verso l’interno; il rosso traccia i modelli di polarizzazione tangenziali, dove la materia fluisce verso l’esterno.
Crediti per le immagini: ACT Collaboration; ESA/Planck

Le immagini più nitide dell’infanzia dell’universo

Una nuova ricerca della collaborazione Atacama Cosmology Telescope (ACT) ha prodotto le immagini più chiare mai ottenute dell’universo primordiale, provenienti dal tempo cosmico più lontano a cui l’umanità abbia mai avuto accesso. Misurando una luce che ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni prima di raggiungere il telescopio situato sulle Ande cilene, queste immagini rivelano l’universo quando aveva circa 380.000 anni – l’equivalente di fotografie di un neonato in un cosmo ormai maturo.

“Stiamo osservando i primi passi verso la formazione delle stelle e delle galassie più antiche”, ha dichiarato Suzanne Staggs, direttrice di ACT e docente di fisica all’Università di Princeton. “E non vediamo solo chiaro e scuro, ma anche la polarizzazione della luce ad alta risoluzione. Questo è un elemento distintivo che differenzia ACT da Planck e da altri telescopi precedenti.”

Le nuove immagini della radiazione cosmica di fondo (CMB) forniscono una risoluzione più alta rispetto a quelle ottenute più di un decennio fa dal telescopio spaziale Planck. Misurando sia l’intensità che la polarizzazione della luce con ACT, ora abbiamo una seconda immagine ad alta fedeltà dello stesso momento cosmico. L’immagine della polarizzazione svela il movimento dettagliato della materia nell’infanzia cosmica.

“Prima potevamo vedere dove si trovavano le cose, ora possiamo anche vedere come si muovono”, ha detto Staggs. “Proprio come le maree rivelano la presenza della Luna, il movimento tracciato dalla polarizzazione della luce ci dice quanto fosse forte l’attrazione gravitazionale in diverse regioni dello spazio.”

“Nelle prime centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang”, spiega Elia Battistelli, professore di fisica della Sapienza di Roma, “il plasma primordiale era così caldo che la luce non poteva propagarsi liberamente, rendendo l’universo di fatto opaco. La CMB rappresenta il primo stadio della storia dell’universo che possiamo osservare”.

“Le immagini forniscono una visione straordinariamente dettagliata delle variazioni, per quanto minime, nella densità e nella velocità dei gas. Quello che sembrano nuvole sfocate nell’intensità della luce sono in realtà regioni più e meno dense in un mare di idrogeno ed elio – colline e valli che si estendono per milioni di anni luce”, aggiunge Federico Nati, professore dell’Università di Milano-Bicocca. “Nei miliardi di anni successivi, la gravità ha attirato le regioni più dense di gas, dando origine a stelle e galassie”.

Queste immagini dettagliate dell’universo appena nato stanno aiutando gli scienziati a rispondere a domande di lunga data sulle origini del cosmo. “Osservando quel periodo, quando tutto era molto più semplice, possiamo ricostruire la storia di come l’universo si è evoluto fino alla complessità che vediamo oggi”, ha spiegato Jo Dunkley, docente di fisica e scienze astrofisiche a Princeton e responsabile dell’analisi di ACT.

“Abbiamo misurato con precisione che l’universo osservabile si estende per quasi 50 miliardi di anni luce in tutte le direzioni e contiene una quantità di massa equivalente a quasi 2 trilioni di trilioni di Soli”,

ha dichiarato Erminia Calabrese, docente di astrofisica all’Università di Cardiff. Di questi solo una minima parte rappresenta la materia normale – quella che possiamo osservare e misurare. Il resto è costituito da materia oscura e dall’energia oscura, le misteriose componenti che permeano il cosmo.

La tensione di Hubble

Negli ultimi anni, i cosmologi hanno ottenuto misure in leggero ma chiaro disaccordo sulla costante di Hubble, un parametro della teoria cosmologica che misura il tasso di espansione dello spazio. Le misurazioni basate sulla radiazione cosmica di fondo indicano costantemente un tasso di espansione di 67-68 km/s/Mpc, mentre le misure delle galassie vicine suggeriscono un valore più alto, fino a 73-74 km/s/Mpc. I nuovi dati di ACT confermano il valore più basso con una precisione persino maggiore.

Uno degli obiettivi principali dello studio era testare modelli alternativi che potessero spiegare la discrepanza, tuttavia i dati ACT non mostrano alcuna evidenza di nuove particelle o effetti non previsti dal modello standard e restringono ulteriormente il campo delle alternative possibili.

Il futuro della cosmologia

La radiazione cosmica di fondo misurata da ACT trasporta segnali estremamente deboli, difficilissimi da isolare dalle possibili contaminazioni.

“Per ottenere queste nuove immagini, abbiamo effettuato un’esposizione di cinque anni con un telescopio sensibile alle lunghezze d’onda millimetriche”,

ha spiegato Mark Devlin, vicedirettore del progetto. ACT ha completato le sue osservazioni nel 2022 e l’attenzione si sta ora spostando verso il più avanzato Simons Observatory, situato nella stessa area del deserto di Atacama, in Cile, per il quale Federico Nati presso l’Università di Milano-Bicocca guida un ambizioso programma di calibrazione che fa uso di stelle artificiali trasportate da droni, grazie al prestigioso finanziamento europeo ERC Advanced.

Questa ricerca è supportata dalla U.S. National Science Foundation (AST-0408698, AST-0965625 e AST-1440226 per il progetto ACT, oltre ai grant PHY-0355328, PHY-0855887 e PHY-1214379), dall’Università di Princeton, dall’Università della Pennsylvania e da un grant della Canada Foundation for Innovation. Il progetto è guidato dall’Università di Princeton e dall’Università della Pennsylvania, con 160 collaboratori provenienti da 65 istituzioni. In Italia, le attività del gruppo di F. Nati presso l’Università di Milano Bicocca sono supportate dal finanziamento europeo ERC, POLOCALC, 101096035. ACT ha operato dal 2007 al 2022.

Atacama Cosmology Telescope sulle Ande Cilene. Crediti per la foto: Debra Kellner

Riferimenti

The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Maps https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14451

The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Constraints on Extended Cosmological Models https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14454

The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Power Spectra, Likelihoods and ΛCDM Parameters https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14452

Testi, video e immagini dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma e dall’Ufficio stampa Università di Milano-Bicocca

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COSÌ ERANO LE NUBI NELL’UNIVERSO PRIMORDIALE

Lo straordinario potenziale di informazioni contenute negli ammassi globulari ci fornisce l’immagine dell’Universo neonato

Oltre tredici miliardi di anni fa, cioè al tempo della grande esplosione (Big Bang) in cui si sarebbe generato l’Universo, le immense nubi di gas che permeavano l’Universo primordiale fecero accendere le prime stelle dando origine a primitivi agglomerati stellari. In quell’epoca nacquero concentrazioni sferiche composte da centinaia di migliaia di stelle, dette ammassi globulari (globular clusters), che sono sopravvissute fino ai giorni nostri.

Sebbene l’origine dei globular clusters sia ancora ignota, è ormai assodato che le stelle appartenenti agli ammassi globulari siano nate appena poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Comprendere la composizione chimica delle nubi primordiali è certamente uno degli obiettivi più ambiziosi e complessi dell’astrofisica moderna. La difficoltà nasce principalmente dal fatto che gli ammassi globulari che osserviamo oggi hanno perduto una parte considerevole della materia gassosa che li aveva generati. Inoltre le poche tracce di gas primordiale tuttora sopravvissute al loro interno sono state contaminate dal materiale espulso da decine di migliaia di stelle durante la loro evoluzione perdendo irrimediabilmente la memoria della loro composizione iniziale.

Un gruppo di astronome e astronomi di Italia, Australia e Stati Uniti ha svelato l’oscura composizione chimica delle nubi primordiali da cui si sono formati i globulari. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» nell’articolo dal titolo con il titolo “Constraining the original composition of the gas forming first-generation stars in globular clusters“ e portano la firma di Maria Vittoria Legnardi, una giovane dottoranda del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova che a soli 24 anni ha rivestito il ruolo di leader del team internazionale.

Maria Vittoria Legnardi ammassi globulari — Maria Vittoria Legnardi

«Nella nostra ricerca abbiamo rilevato delle variazioni nel contenuto di metalli che caratterizza le stelle di prima generazione. Poiché la composizione chimica di queste stelle riflette direttamente la chimica delle nubi da cui si sono formate, questo implica che anche le nubi fossero chimicamente disomogenee, contrariamente a quello che ci si aspettasse. Grazie alle straordinarie immagini ottenute dal telescopio spaziale Hubble – spiega Maria Vittoria Legnardi – abbiamo ricostruito le cosiddette mappe cromosomiche di circa il 25% degli ammassi globulari conosciuti. Si tratta di mappe in cui i colori delle stelle vengono combinati tra loro in modo tale creare dei super-colori indicativi del contenuto di alcuni elementi chimici. In sintesi, le mappe cromosomiche sono costituite da combinazioni di colori estremamente sensibili alla composizione chimica delle stelle negli ammassi globulari. Sulle ascisse è indicato il contenuto di elio delle stelle mentre sulle ordinate si può leggere il contenuto di azoto. In questo modo è possibile separare facilmente le stelle di prima generazione, l’oggetto principale di questo studio, da quelle di seconda generazione che presentano invece una composizione chimica riscontrata esclusivamente negli ammassi globulari. Sebbene sia pressoché impossibile ottenere informazioni dirette sulla composizione chimica delle nubi primordiali studiando il gas residuo tuttora presente negli ammassi, in questa ricerca abbiamo sviluppato una tecnica innovativa per poter far luce sugli ambienti di formazione degli ammassi basata sulle stelle di prima generazione. Queste stelle – sottolinea Legnardi – si sono formate direttamente dal gas primordiale e dunque conservano memoria della composizione chimica delle nubi primordiali da cui si sono formati gli ammassi globulari agli albori dell’Universo. Le immagini di Hubble sono state fondamentali poiché hanno una risoluzione migliore e sono molto nitide. Grazie ad esse abbiamo potuto studiare in dettaglio le regioni centrali degli ammassi, dove la densità di stelle è estremamente elevata. Inoltre – rileva Maria Vittoria Legnardi – il telescopio Hubble permette di ottenere immagini attraverso diversi filtri che isolano la luce delle stelle dall’ultravioletto al vicino infrarosso passando per l’ottico. Combinando in modo opportuno le informazioni provenienti da diverse regioni dello spettro elettromagnetico è possibile sviluppare dei super-colori – ad esempio quelli delle mappe cromosomiche – che sono estremamente sensibili alla composizione chimica delle stelle negli ammassi».

«Questa tecnica innovativa – dice Lucia Armillotta, ricercatrice dell’Università di Princeton – ci ha permesso di isolare non solo le stelle che sono nate per prime e che conservano quindi la composizione originale della nube madre, ma anche le stelle delle generazioni successive. Le mappe cromosomiche rivelano che le nubi erano per lo più costituite della stessa materia originatasi con il Big Bang, ma contenevano già tracce di altre specie chimiche come il carbonio, l’azoto, l’ossigeno e altri elementi su cui si basa la vita stessa».

«Uno dei risultati più sorprendenti – aggiunge Giacomo Cordoni, un altro autore della ricerca e afferente al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova – è che, contrariamente a quello che ci si aspettava, le nubi che hanno originato le prime stelle non erano chimicamente omogenee. Il loro contenuto di metalli, infatti, varia da una regione all’altra dell’ammasso e queste fluttuazioni implicano che le nubi originarie occupavano vaste regioni dell’Universo primordiale ed erano poco dense. Al contrario, il gas da cui si sono formate le stelle più giovani, nate centinaia di milioni di anni dopo le stelle di prima generazione, si è scoperto essere più omogeneo. Questo significa che le seconde generazioni di stelle si formarono in regioni in cui la densità del gas raggiungeva valori estremi».

«L’unicità di queste nubi spiegherebbe anche le strane proprietà di queste stelle, caratterizzate da abbondanze chimiche che non si osservano in nessun altro luogo della Galassia. Le stelle di seconda generazione presentano un contenuto di elio, sodio e azoto maggiore rispetto alle stelle che si trovano nella Galassia. Al contrario, presentano un contenuto ridotto di carbonio e ossigeno. Stelle con una simile composizione chimica sono state osservate esclusivamente all’interno degli ammassi globulari. È affascinante prendere atto – conclude la team leader Maria Vittoria Legnardi – dello straordinario potenziale di informazioni contenute negli ammassi globulari, questi dati sono stati capaci di tracciare un’immagine dell’Universo neonato. I colori delle stelle che osserviamo oggi al loro interno, infatti, ci permettono di intuire quali fossero i principali ingredienti che componevano le nubi primordiali che permeavano l’Universo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang».

Titolo e link alla ricerca: “Constraining the original composition of the gas forming first-generation stars in globular clusters” – «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» 2022

Autori: M. V. Legnardi*, A. P. Milone, L. Armillotta, A. F. Marino, G. Cordoni, A. Renzini,E. Vesperini, F. D’Antona, M. McKenzie, D. Yong, E. Dondoglio, E. P. Lagioia,M. Carlos, M. Tailo, S. Jang, and A. Mohandasan.

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Padova

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