Un segnale radio di 4,5 miliardi di anni fa svela la rete cosmica: importante contributo dei ricercatori italiani

TORINO – Un segnale radio debolissimo, proveniente da un’epoca in cui l’Universo aveva poco più di nove miliardi di anni, potrebbe aprire nuove prospettive nello studio della struttura e dell’evoluzione del cosmo. A rilevarlo è stata una collaborazione scientifica internazionale che ha utilizzato il radiotelescopio MeerKAT, in Sudafrica, riuscendo a misurare la distribuzione dell’idrogeno neutro su grandi scale e a ricostruire una parte della cosiddetta rete cosmica, la struttura che collega e organizza le galassie nell’Universo.

La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, rappresenta un importante passo avanti per la cosmologia e vede anche un significativo contributo italiano. Tra gli autori dello studio figurano infatti Matilde Barberi-Squarotti dell’Università Statale di Milano, Stefano Camera dell’Università di Torino e Isabella Paola Carucci dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – Osservatorio Astronomico di Trieste.

Come ascoltare l’Universo attraverso l’idrogeno

Alla base della scoperta c’è una particolare caratteristica dell’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’Universo. Quando è neutro, emette un segnale radio caratteristico alla lunghezza d’onda di 21 centimetri.

Questa radiazione, viaggiando attraverso lo spazio, viene modificata dall’espansione dell’Universo. Misurando quanto cambia la sua lunghezza d’onda, gli astronomi possono ricavare informazioni sulla distanza delle sorgenti e sull’epoca in cui il segnale è stato emesso.

«L’idrogeno, l’elemento più abbondante dell’Universo, emette un caratteristico segnale radio alla lunghezza d’onda di 21 centimetri. L’espansione cosmica modifica la lunghezza d’onda del segnale durante il suo viaggio: misurarla consente quindi di ottenere informazioni sulla distanza e sull’epoca di origine», spiega Stefano Camera dell’Università di Torino.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata intensity mapping, che permette di raccogliere l’emissione radio complessiva dell’idrogeno proveniente da moltissime galassie, anche quando non è possibile distinguere individualmente ciascun oggetto.

In questo modo è possibile osservare il disegno generale della distribuzione della materia nell’Universo, senza dover identificare una per una tutte le galassie presenti in una determinata regione.

La sfida di distinguere un segnale debolissimo dal rumore

Uno degli aspetti più complessi della ricerca è stato riuscire a isolare il segnale cosmico dalle numerose interferenze presenti nelle osservazioni.

La radiazione raccolta dai radiotelescopi comprende infatti anche emissioni provenienti da altre fonti, come il fondo radio della nostra Via Lattea. Queste contaminazioni possono essere fino a centomila o addirittura un milione di volte più intense rispetto al segnale che gli scienziati vogliono misurare.

«È come cercare di ascoltare una conversazione sussurrata durante un concerto», spiega Isabella Paola Carucci.

Per superare il problema, il gruppo di ricerca ha sfruttato le 64 antenne del radiotelescopio MeerKAT, utilizzandole come telescopi indipendenti. I ricercatori hanno quindi confrontato mappe ottenute da gruppi diversi di antenne e da osservazioni effettuate in momenti differenti.

«Il segnale cosmico è comune alle mappe, mentre il rumore e gli effetti strumentali non condivisi vengono ridotti», racconta Matilde Barberi-Squarotti.

L’analisi ha permesso di raggiungere un rapporto tra segnale e rumore pari a 6,2, superando una serie di verifiche sulla solidità del risultato.

Un altro elemento particolarmente importante è che la misurazione è stata ottenuta utilizzando esclusivamente le mappe radio dell’idrogeno, senza dover ricorrere al confronto con cataloghi esterni di galassie. Un risultato che rafforza la possibilità di utilizzare questa tecnica come strumento autonomo per studiare l’Universo.

Una nuova strada per capire l’espansione dell’Universo

Le osservazioni analizzate nello studio sono state raccolte nel 2021 e coprono una porzione di cielo di circa 236 gradi quadrati. Il segnale rilevato permette di osservare l’Universo in un’epoca molto lontana, quando aveva poco più di nove miliardi di anni.

L’obiettivo della collaborazione MeerKLASS è ora quello di costruire mappe tridimensionali di porzioni sempre più vaste del cosmo, per comprendere meglio come si sono formate le grandi strutture che lo compongono e come si è evoluto nel tempo.

Queste osservazioni potrebbero offrire nuovi strumenti per mettere alla prova le teorie sulla gravità e sull’energia oscura, uno degli elementi ancora più misteriosi della cosmologia contemporanea.

Per Mário Santos, dell’Università del Capo Occidentale in Sudafrica e responsabile scientifico del progetto MeerKLASS, il risultato rappresenta una tappa fondamentale per affermare la mappatura d’intensità a 21 centimetri come nuovo strumento per la ricerca cosmologica.

La misurazione è il frutto di dieci anni di lavoro da parte di ricercatori distribuiti in sette Paesi e tre continenti, con il supporto del South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), che ha costruito e gestisce MeerKAT.

Il programma di ricerca proseguirà con nuove osservazioni, che permetteranno di esplorare epoche ancora più remote e un volume dell’Universo oltre mille volte superiore a quello analizzato in questo primo risultato.

Un lavoro che prepara anche il terreno per le future indagini dello SKA Observatory, il grande progetto internazionale di radiotelescopi di cui MeerKAT rappresenta uno dei precursori.

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