Le ombre nel Big Bang Afterglow rivelano strutture cosmiche invisibili

Quasi 400,000 anni dopo il Big Bang, il plasma primordiale dell'universo neonato si è raffreddato abbastanza da permettere ai primi atomi di fondersi, facendo spazio alla radiazione incorporata per liberarsi. Quella luce - il fondo cosmico a microonde (CMB) - continua a fluire attraverso il cielo in tutte le direzioni, trasmettendo un'istantanea dell'universo primordiale che viene ripresa da telescopi dedicati e persino rivelata nell'elettricità statica su vecchi televisori a raggi catodici.

Dopo che gli scienziati hanno scoperto la radiazione CMB nel 1965, hanno meticolosamente mappato le sue minuscole variazioni di temperatura, che sono state visualizzate l'esatto stato del cosmo quando era un semplice plasma schiumoso. Ora stanno riutilizzando i dati CMB per catalogare le strutture su larga scala che si sono sviluppate nel corso di miliardi di anni con la maturazione dell'universo.

"Quella luce ha vissuto gran parte della storia dell'universo, e vedendo come è cambiata, possiamo conoscere diverse epoche", ha detto Kimmy Wu, cosmologo dello SLAC National Accelerator Laboratory.

Nel corso del suo viaggio di quasi 14 miliardi di anni, la luce della CMB è stata allungata, schiacciata e deformata da tutta la materia sul suo cammino. I cosmologi stanno iniziando a guardare oltre le fluttuazioni primarie nella luce CMB, verso le impronte secondarie lasciate dalle interazioni con le galassie e altre strutture cosmiche. Da questi segnali, stanno ottenendo una visione più nitida della distribuzione sia della materia ordinaria - tutto ciò che è composto da parti atomiche - sia della misteriosa materia oscura. A loro volta, queste intuizioni stanno aiutando a chiarire alcuni misteri cosmologici di vecchia data e a ponerne di nuovi.

“Ci stiamo rendendo conto che la CMB non ci parla solo delle condizioni iniziali dell'universo. Ci parla anche delle galassie stesse", ha detto Emanuele Schaan, anch'egli cosmologo allo SLAC. "E questo risulta essere davvero potente."

Un universo di ombre

I rilievi ottici standard, che tracciano la luce emessa dalle stelle, trascurano la maggior parte della massa sottostante delle galassie. Questo perché la stragrande maggioranza del contenuto totale di materia dell'universo è invisibile ai telescopi, nascosto alla vista come ammassi di materia oscura o come il gas ionizzato diffuso che collega le galassie. Ma sia la materia oscura che il gas diffuso lasciano impronte rilevabili sull'ingrandimento e sul colore della luce CMB in arrivo.

"L'universo è davvero un teatro delle ombre in cui le galassie sono le protagoniste e la CMB è il controluce", ha detto Schaan.

Molti dei giocatori ombra stanno ora entrando in rilievo.

Quando le particelle di luce, o fotoni, dalla CMB disperdono gli elettroni nel gas tra le galassie, vengono spinte a energie più elevate. Inoltre, se quelle galassie sono in movimento rispetto all'universo in espansione, i fotoni CMB subiscono un secondo spostamento di energia, verso l'alto o verso il basso a seconda del moto relativo dell'ammasso.

Questa coppia di effetti, noti rispettivamente come effetto Sunyaev-Zel'dovich (SZ) termico e cinematico, è stata prima teorizzato alla fine degli anni '1960 e sono stati rilevati con crescente precisione nell'ultimo decennio. Insieme, gli effetti SZ lasciano una firma caratteristica che può essere ricavata dalle immagini CMB, consentendo agli scienziati di mappare la posizione e la temperatura di tutta la materia ordinaria nell'universo.

Infine, un terzo effetto noto come lente gravitazionale debole deforma il percorso della luce CMB mentre viaggia vicino a oggetti massicci, distorcendo la CMB come se fosse vista attraverso la base di un bicchiere di vino. A differenza degli effetti SZ, l'obiettivo è sensibile a tutta la materia, oscura o meno.

Presi insieme, questi effetti consentono ai cosmologi di separare la materia ordinaria dalla materia oscura. Quindi gli scienziati possono sovrapporre queste mappe con le immagini dei sondaggi delle galassie per misurare le distanze cosmiche e persino tracciare la formazione stellare.

In compagno documenti nel 2021, un team guidato da Schaan e Stefania Amedeo, che ora si trova all'Osservatorio astronomico di Strasburgo in Francia, ha messo in pratica questo approccio. Hanno esaminato i dati CMB presi dall'Agenzia spaziale europea Satellite di Plank e quello a terra Telescopio cosmologico di Atacama, quindi ha impilato sopra quelle mappe un'ulteriore indagine ottica di quasi 500,000 galassie. La tecnica ha permesso loro di misurare l'allineamento della materia ordinaria e della materia oscura.

L'analisi ha mostrato che il gas della regione non ha abbracciato la sua rete di materia oscura di supporto così strettamente come previsto da molti modelli. Invece, suggerisce che le esplosioni di supernove e l'accrescimento di buchi neri supermassicci abbiano costretto il gas ad allontanarsi dai suoi nodi di materia oscura, diffondendolo in modo che fosse troppo sottile e freddo per essere rilevato dai telescopi convenzionali.

Individuare quel gas diffuso nelle ombre CMB ha aiutato gli scienziati ad affrontare ulteriormente il cosiddetto problema dei barioni mancanti. Ha anche fornito stime per la forza e la temperatura delle esplosioni in dispersione, dati che gli scienziati stanno ora utilizzando per perfezionare i loro modelli di evoluzione delle galassie e la struttura su larga scala dell'universo.

Negli ultimi anni, i cosmologi sono rimasti perplessi dal fatto che la distribuzione osservata della materia nell'universo moderno lo sia più fluido di quanto previsto dalla teoria. Se le esplosioni che riciclano il gas intergalattico sono più energetiche di quanto ipotizzato dagli scienziati, come il recente lavoro di Schaan, Amodeo e altri sembra suggerire che queste esplosioni potrebbero essere parzialmente responsabili della diffusione della materia in modo più uniforme nell'universo Collina Colin, un cosmologo della Columbia University che lavora anche sulle firme CMB. Nei prossimi mesi, Hill e colleghi dell'Atacama Cosmology Telescope hanno in programma di svelare una mappa aggiornata delle ombre della CMB con un notevole aumento sia della copertura del cielo che della sensibilità.

"Abbiamo solo iniziato a grattare la superficie di ciò che puoi fare con questa mappa", ha detto Hill. “È un miglioramento sensazionale rispetto a tutto ciò che è venuto prima. È difficile credere che sia reale.

Le ombre dell'ignoto

La CMB è stata una prova chiave che ha contribuito a stabilire il modello standard della cosmologia, la struttura centrale che i ricercatori utilizzano per comprendere l'origine, la composizione e la forma dell'universo. Ma gli studi sulla retroilluminazione della CMB ora minacciano di fare breccia in quella storia.

"Questo paradigma è davvero sopravvissuto al test delle misurazioni di precisione, fino a poco tempo fa", ha affermato Eiichiro Komatsu, un cosmologo del Max Planck Institute for Astrophysics che ha lavorato per stabilire la teoria come membro della Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, che ha mappato la CMB tra il 2001 e il 2010. "Potremmo essere al bivio... di un nuovo modello dell'universo .”

Negli ultimi due anni, Komatsu e colleghi hanno indagato su indizi di un nuovo personaggio sul palcoscenico del teatro delle ombre. Il segnale appare nella polarizzazione, o orientamento, delle onde luminose CMB, che secondo il modello standard della cosmologia dovrebbe rimanere costante durante il viaggio delle onde attraverso l'universo. Ma come teorizzato tre decenni fa da Sean Carroll e colleghi, quella polarizzazione potrebbe essere ruotata da un campo di materia oscura, energia oscura o qualche particella totalmente nuova. Un tale campo farebbe viaggiare fotoni di diverse polarizzazioni a velocità diverse e ruotare la polarizzazione netta della luce, una proprietà nota come "birifrangenza" che è condivisa da alcuni cristalli, come quelli che abilitano gli schermi LCD. Nel 2020, la squadra di Komatsu rinvenimento segnalato una piccola rotazione nella polarizzazione della CMB - circa 0.35 gradi. Uno studio di follow-up pubblicato l'anno scorso rafforzato quel precedente risultato.

Se lo studio di polarizzazione o un altro risultato relativo alla distribuzione delle galassie, implicherebbe che l'universo non appare uguale in tutte le direzioni a tutti gli osservatori. Per Hill e molti altri, entrambi i risultati sono allettanti ma non ancora definitivi. Sono in corso studi di follow-up per indagare su questi suggerimenti ed escludere potenziali effetti di confusione. Alcuni ne hanno proposto addirittura uno dedicato Veicolo spaziale "astronomia in controluce". che ispezionerebbe ulteriormente le varie ombre.

"Da cinque a dieci anni fa, la gente pensava che la cosmologia fosse finita", ha detto Komatsu. “Adesso sta cambiando. Stiamo entrando in una nuova era”.