La caratteristica dell’assorbimento della luce da parte dell’idrogeno che circonda le galassie primordiali potrebbe essere usata come una nuova sonda sui misteri della materia oscura e su come ha influenzato l’evoluzione dell’universo durante i secoli oscuri cosmici.
Gli scienziati hanno a lungo ipotizzato che la materia oscura, una sostanza misteriosa che costituisce circa l’85% della materia nell’universo, abbia svolto un ruolo importante nella formazione delle prime galassie. Ma poiché la materia oscura non interagisce con la luce (a differenza della materia “normale” di cui siamo fatti le stelle, i pianeti e noi), la sua natura rimane sconosciuta. Ciò significa che il ruolo preciso che hanno svolto quando le galassie hanno cominciato a formarsi rappresenta ancora una lacuna nei modelli cosmologici.
Per indagare su questo mistero, gli scienziati della Northeastern University in Cina e degli Osservatori Astronomici Nazionali dell’Accademia Cinese delle Scienze (NAOC) hanno proposto una nuova sonda per far luce sia sulla natura della materia oscura che sulla prima formazione delle galassie.
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Un modo possibile per studiare le particelle che compongono la materia oscura e la loro massa è studiare le strutture su piccola scala nell’universo. Il problema sorge quando si cerca di farlo per un periodo chiamato “l’alba cosmica”, circa 380 milioni di anni dopo il Big Bang, che è quando le prime stelle stavano appena nascendo. Pertanto, c’erano poche fonti di luce praticabili per illuminare questa era antica per gli astronomi.
Ma c’erano atomi durante questa era, sotto forma di gas dall’elemento chimico più leggero, l’idrogeno. Come tutti gli elementi, l’idrogeno assorbe la luce a lunghezze d’onda distinte, lasciando la sua impronta sulla luce che lo attraversa.
Alla ricerca della materia oscura in una giungla cosmica
L’idrogeno gassoso atomico all’interno e intorno alle minuscole strutture che esistevano durante l’alba cosmica, che si concluse circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, crea distinte linee di assorbimento a 21 cm, nella gamma radio dello spettro elettromagnetico. Collettivamente, questi sono chiamati la Foresta di 21 cm, che è stata proposta come possibile sonda della temperatura del gas e della materia oscura durante l’alba cosmica per più di 20 anni.
Questo è rimasto solo un concetto teorico, tuttavia, a causa del fatto che la luce di quest’era ha viaggiato per circa 13,4 miliardi di anni per raggiungerci. Lungo il percorso, ha perso energia, allungando la sua lunghezza d’onda e abbassando la sua frequenza, spostandola lungo lo spettro elettromagnetico verso la regione rossa e oltre nell’infrarosso.
Più lontana è la sorgente luminosa, più estremo è il processo di “spostamento verso il rosso”. Con la luce stellare assente, utilizzare la foresta di 21 centimetri come sonda di materia oscura richiederebbe di vedere sorgenti molto rumorose come i quasar all’alba cosmica, e quindi con un elevato spostamento verso il rosso. Ma i segnali di tali sorgenti radio di quest’epoca sono più deboli ed è difficile identificare sorgenti di sfondo con spostamento verso il rosso così elevato.
Tuttavia, questa situazione potrebbe essere in procinto di cambiare. Non solo recentemente sono stati scoperti numerosi quasar ad alto spostamento verso il rosso, ma il più grande radiotelescopio del mondo, lo Square Kilometer Array (SKA), ha iniziato la costruzione in Australia e Sud Africa nel dicembre 2022 e presto aprirà il suo sensibile occhio radio nell’universo. Ciò indica che la scoperta e l’utilizzo della foresta di 21 centimetri potrebbe presto essere possibile.
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Il team dietro il nuovo studio ritiene che misurare la distribuzione energetica della foresta di 21 centimetri, o il suo “spettro energetico”, la renderebbe una sonda ragionevole per misurare simultaneamente le proprietà della materia oscura e la storia termica dell’universo.
Questo può aiutare i ricercatori a distinguere tra il modello di materia oscura fredda dell’universo – uno con massicce particelle di materia oscura che si muovono lentamente rispetto alla velocità della luce – e il modello di materia oscura calda, con particelle di materia oscura più leggere e veloci.
“Misurando lo spettro di energia unidimensionale di una foresta di 21 centimetri, non solo possiamo rendere la sonda veramente fattibile aumentando la sensibilità, ma anche fornire un modo per distinguere tra gli effetti dei modelli di materia oscura calda e il processo di riscaldamento iniziale “, ha detto il ricercatore presso gli Osservatori Astronomici Nazionali Yidong Xu, autore. contrasto al nuovo studio. “Saremo in grado di prendere due piccioni con una fava!”
Finché il riscaldamento cosmico non è stato troppo intenso durante l’alba cosmica, le capacità a bassa frequenza del primo stadio dei processi SKA dovrebbero consentire agli scienziati di limitare la massa delle particelle di materia oscura e la temperatura del gas. Se il riscaldamento cosmico è troppo elevato, la seconda fase di SKA vedrà uno strumento espandersi, con conseguente utilizzo di più sorgenti radio di fondo che presentano le stesse limitazioni.
Poiché il potenziale utilizzo della Foresta di 21 cm come sonda di materia oscura è legato alle osservazioni di sorgenti radio ad alto spostamento verso il rosso, il prossimo passo in questa ricerca è identificare più sorgenti di radiazioni radio durante l’alba cosmica, comprese più sorgenti radio ad alto quasar e postluminescenza Raggi gamma.
Queste fonti potranno quindi essere perseguite una volta che SKA inizierà a osservare l’universo nel 2027, consentendo agli astronomi di fare più luce sui misteri sia della materia oscura che delle prime galassie.
La ricerca del team è presentata nel numero del 6 luglio della rivista Nature Astronomy.
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