Ci sono segnali che attraversano l’Universo per miliardi di anni prima di raggiungere la Terra. Durano appena una frazione di secondo, sono potentissimi e, fino a non molto tempo fa, erano tra i fenomeni più enigmatici osservati dagli astronomi. Si chiamano fast radio burst, o FRB, e oggi potrebbero trasformarsi in una sorta di “sonda cosmica” capace di aiutarci a rispondere ad alcune delle domande più profonde sulla natura dell’Universo: che cos’è davvero la materia oscura? Perché l’espansione dell’Universo sta accelerando? E qual è la massa dei neutrini, le cosiddette “particelle fantasma”? La ricerca condotta da un gruppo di astronomi indica infatti che questi lampi radio possono essere utilizzati per ricostruire il modo in cui la materia è distribuita nell’Universo.
Lampi brevissimi, viaggi lunghissimi
Gli FRB sono intensi impulsi di onde radio che durano pochissimo. Secondo l’interpretazione oggi più accreditata, almeno una parte di questi fenomeni ha origine nelle magnetar, stelle morte estremamente compatte che ruotano rapidamente e possiedono alcuni dei campi magnetici più potenti conosciuti nell’Universo. La parte più interessante però arriva dopo: un FRB può viaggiare per miliardi di anni luce prima di arrivare fino a noi. Durante questo viaggio attraversa galassie, nubi di gas e altre regioni ricche di materia. È come se il segnale attraversasse una gigantesca nebbia cosmica. Questa “nebbia” modifica il segnale originale, e proprio queste modifiche contengono informazioni preziose.
In altre parole, l’FRB non racconta soltanto qualcosa sulla propria origine: porta con sé anche le impronte della materia incontrata lungo il cammino. Analizzando queste impronte, gli scienziati possono quindi cercare di capire dove si trova la materia e quanto è concentrata o dispersa su enormi scale cosmiche. “Abbiamo stabilito che gli FRB sono una delle principali sonde della distribuzione della materia nell’Universo. Questi dati sugli FRB possono essere utilizzati per potenziare gli esperimenti cosmologici che stanno cercando di rispondere a domande sulla materia oscura, sull’energia oscura e sulla massa dei neutrini“: a dirlo è stata Kritti Sharma, studentessa laureata che lavora con Vikram Ravi, professore di astronomia al California Institute of Technology (Caltech), entrambi membri del team di ricerca che ha pubblicato uno studio su Nature Astronomy.
Il 95% dell’Universo è ancora un mistero
Per capire perché tutto questo sia così importante, bisogna fare un passo indietro. La materia ordinaria – quella composta da atomi, elettroni, protoni e neutroni – rappresenta soltanto circa il 5% del contenuto di materia ed energia dell’Universo. È il materiale di cui sono fatte le stelle, i pianeti, le lune, noi stessi e tutto ciò che possiamo osservare direttamente nella vita quotidiana. Il restante 95% è molto più misterioso: circa il 27% è materia oscura, mentre circa il 68% è energia oscura. È questo il cosiddetto “Universo oscuro”.
La materia oscura non emette né riflette luce, ma la sua gravità influenza il modo in cui le galassie e le grandi strutture cosmiche si formano e si aggregano. L’energia oscura, invece, è il nome dato al fenomeno responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’Universo. E poi ci sono i neutrini. Queste particelle sono tra le più abbondanti dell’Universo, seconde per quantità soltanto ai fotoni. Sono chiamate “particelle fantasma” perché interagiscono così raramente con la materia che circa 100.000 miliardi di neutrini attraversano il nostro corpo ogni secondo senza lasciare praticamente alcuna traccia. La loro massa è estremamente piccola, ma non è esattamente nulla. Determinarne con precisione il valore è una delle questioni ancora aperte della fisica moderna.
Quando la materia si raggruppa… e quando viene “spianata”
Materia oscura, energia oscura e neutrini hanno avuto un ruolo importante nell’evoluzione delle grandi strutture cosmiche, dalle galassie agli ammassi di galassie. Per questo motivo, osservare quanto la materia è “agglomerata” nell’Universo può fornire indizi sulle forze e sui fenomeni che hanno contribuito a creare quella distribuzione. C’è però un problema: la materia non si aggrega semplicemente sotto l’effetto della gravità. Esistono anche processi che possono redistribuirla e rendere meno marcata questa “grumosità” cosmica. Uno di questi è il cosiddetto feedback galattico.
Al centro delle galassie si trovano spesso buchi neri supermassicci. Quando questi inghiottono materia, possono liberare enormi quantità di energia, espellendo gas e modificando la distribuzione della materia nelle regioni circostanti. Il risultato è una sorta di effetto di “levigatura” della struttura cosmica. “Il processo di feedback assottiglia il gas intorno alle galassie, ridistribuendo la materia su distanze immense. Rende più uniformi gli ammassi di materia in un modo sorprendentemente simile a ciò che fanno i neutrini massicci, oppure a quanto previsto dalle teorie sull’energia oscura o sulla materia oscura. A meno che gli scienziati non possano misurare indipendentemente questo contributo del feedback, non possono distinguere questi effetti l’uno dall’altro“, ha spiegato Vikram Ravi. Ed è proprio qui che entrano in gioco gli FRB.
Circa 100 lampi per iniziare a leggere il cosmo
Ravi e Sharma hanno analizzato un campione di circa 100 FRB. Lo studio rappresenta, secondo il team, la prima volta in cui gli FRB sono stati utilizzati per misurare direttamente l’impatto del feedback delle galassie sulla distribuzione della materia nelle vaste regioni dello Spazio comprese tra una galassia e l’altra. Il risultato è interessante: il feedback galattico effettivamente rende il materiale circostante meno “grumoso”, ma l’effetto sembra essere più debole rispetto a quanto indicato da precedenti misurazioni.
Gli FRB, dunque, potrebbero offrire un modo indipendente per separare fenomeni che altrimenti rischiano di confondersi tra loro. La cosa più sorprendente è che tutto questo è stato possibile partendo da un campione relativamente piccolo. “La nostra analisi degli FRB rivela come il gas espulso dal feedback astrofisico sopprima la struttura cosmica. È sorprendente, considerando che nel nostro campione avevamo soltanto circa 100 FRB. Questo è solo l’inizio“, ha spiegato Elisabeth Krause, membro del team dell’Università dell’Arizona.
Nel 2029 potrebbe arrivare una valanga di nuovi dati
Se un centinaio di FRB è già sufficiente per ottenere informazioni cosmologiche interessanti, il futuro potrebbe essere ancora più promettente. La svolta potrebbe arrivare nel 2029, quando il Deep Synoptic Array (DSA) del Caltech dovrebbe entrare in funzione in Nevada. Il radiotelescopio è progettato per individuare decine di migliaia di FRB. Un catalogo di queste dimensioni cambierebbe radicalmente le possibilità degli astronomi: più lampi significherebbero più linee di vista attraverso il cosmo e, di conseguenza, una mappa molto più dettagliata della distribuzione della materia. Gli FRB potrebbero così passare da fenomeni astronomici affascinanti ma difficili da interpretare a strumenti di precisione per la cosmologia.
Una nuova finestra sull’Universo oscuro
Il fascino degli FRB sta proprio nel loro paradosso: non sappiamo ancora completamente che cosa li produca, ma possiamo già utilizzare ciò che accade loro durante il viaggio per studiare l’Universo. Ogni lampo è infatti un messaggero che attraversa enormi distanze e viene modificato dalla materia che incontra. Decifrando queste modifiche, gli scienziati possono ricostruire la struttura del cosmo e cercare di distinguere gli effetti prodotti dalla materia ordinaria, dalla materia oscura, dai neutrini e dall’energia oscura.
Il lavoro del team suggerisce quindi una prospettiva affascinante: per capire i componenti più misteriosi dell’Universo potremmo non dover osservare direttamente ciò che è invisibile, ma imparare a leggere le tracce che lascia sui segnali provenienti dalle profondità dello Spazio.