Un debolissimo segnale radio emesso circa 4,5 miliardi di anni fa apre nuove prospettive per comprendere come è strutturato l’Universo e come si sono distribuite le galassie nel corso della sua evoluzione. A intercettarlo è stato il radiotelescopio MeerKAT, in Sudafrica, nell’ambito di una ricerca internazionale che ha permesso di misurare la distribuzione dell’idrogeno neutro su grandissime scale cosmiche. Il risultato rappresenta un importante progresso verso la realizzazione di mappe tridimensionali dell’Universo, strumenti che in futuro potrebbero contribuire a chiarire alcuni dei principali interrogativi della cosmologia, dalla formazione delle strutture cosmiche alla natura dell’energia oscura. La scoperta è al centro di uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, frutto del lavoro della collaborazione internazionale MeerKLASS. Tra gli aspetti più significativi della ricerca figura la capacità di individuare il segnale cosmico dell’idrogeno utilizzando esclusivamente le osservazioni radio, senza doverle confrontare con cataloghi esterni di galassie. Un risultato che rafforza le possibilità di impiegare questa tecnica come metodo autonomo per studiare la distribuzione della materia nell’Universo.
La scoperta del radiotelescopio MeerKAT: un segnale proveniente dall’Universo di 4,5 miliardi di anni fa
Il segnale individuato dai ricercatori proviene da un’epoca in cui l’Universo aveva poco più di nove miliardi di anni. La radiazione ha attraversato lo spazio per circa 4,5 miliardi di anni prima di essere registrata dagli strumenti di osservazione terrestri, conservando informazioni preziose sulla distribuzione della materia nel cosmo. Al centro della ricerca c’è l’idrogeno neutro, un elemento fondamentale per ricostruire la struttura dell’Universo. Studiandone l’emissione radio, gli scienziati possono ottenere informazioni sulla disposizione della materia su distanze enormi e individuare le caratteristiche della cosiddetta rete cosmica, la struttura su larga scala lungo la quale si organizzano le galassie. Il lavoro ha preso in esame osservazioni effettuate nel 2021 su una porzione di cielo di circa 236 gradi quadrati. L’analisi dei dati ha consentito alla collaborazione MeerKLASS di raggiungere una misura significativa del segnale cosmico, superando le difficoltà tecniche legate alla sua estrema debolezza. Alla ricerca hanno partecipato anche tre studiosi italiani: 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. Il loro contributo si inserisce in un progetto scientifico di dimensione internazionale, sviluppato attraverso una lunga collaborazione tra istituzioni e gruppi di ricerca.
Come l’idrogeno neutro permette di ricostruire la struttura dell’Universo
Il principio scientifico alla base della scoperta riguarda una particolare proprietà dell’idrogeno, che produce un’emissione radio caratteristica alla lunghezza d’onda di 21 centimetri. Questa radiazione costituisce uno strumento di osservazione particolarmente utile perché permette di ricavare informazioni sulla posizione e sull’epoca di origine del segnale. “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. La tecnica utilizzata dagli scienziati prende il nome di intensity mapping, ovvero mappatura dell’intensità. A differenza delle osservazioni che puntano a distinguere singolarmente le galassie, questo metodo raccoglie l’emissione radio complessiva dell’idrogeno presente in numerosi sistemi galattici, anche quando non è possibile identificare separatamente ciascun oggetto. In questo modo si possono studiare regioni estremamente vaste dello spazio, ricostruendo la distribuzione generale della materia anziché concentrarsi esclusivamente sulle caratteristiche delle singole galassie. La tecnica permette quindi di osservare il disegno complessivo delle strutture cosmiche, fornendo informazioni utili per comprenderne l’organizzazione e l’evoluzione.
La sfida scientifica: distinguere un segnale cosmico dal rumore radio della Via Lattea
La difficoltà principale incontrata dai ricercatori non consiste soltanto nel registrare una radiazione antichissima, ma soprattutto nel riuscire a separare il segnale dell’idrogeno dalle numerose interferenze presenti nelle osservazioni radio. Gli strumenti, infatti, ricevono contemporaneamente emissioni provenienti da diverse sorgenti, comprese quelle associate alla nostra galassia. Queste componenti possono avere un’intensità enormemente superiore rispetto al debolissimo segnale cosmico che gli scienziati intendono analizzare. “Catturiamo l’intera radiazione radio in arrivo, che comprende anche fonti spurie, come il fondo radio emesso dalla nostra Via Lattea. Rimuovere le contaminazioni, che possono superare il segnale cosmico ricercato di centomila o persino di un milione di volte, è un’impresa complessa”, commenta Isabella Paola Carucci. La ricercatrice descrive la complessità dell’operazione attraverso un’immagine particolarmente efficace: “è come cercare di ascoltare una conversazione sussurrata durante un concerto”. Per ottenere una misura affidabile, il gruppo di ricerca ha quindi dovuto affrontare un delicato lavoro di analisi e rimozione delle contaminazioni, distinguendo la componente cosmica ricercata dagli effetti prodotti dagli strumenti e dalle altre sorgenti radio.
Le 64 antenne di MeerKAT e il metodo che ha permesso di isolare il segnale
Un ruolo decisivo è stato svolto dalla particolare modalità di utilizzo del radiotelescopio MeerKAT. I ricercatori hanno impiegato le sue 64 antenne come telescopi indipendenti, una configurazione particolarmente adatta alla rapida osservazione di ampie regioni del cielo. Questa strategia ha consentito di costruire mappe differenti a partire dai dati raccolti, confrontando osservazioni realizzate attraverso gruppi diversi di antenne e in momenti separati. L’obiettivo era individuare la componente comune alle varie misurazioni, riducendo il contributo del rumore e degli effetti strumentali non condivisi. “Abbiamo confrontato mappe costruite con gruppi diversi di antenne e osservazioni effettuate in momenti differenti: il segnale cosmico è comune alle mappe, mentre il rumore e gli effetti strumentali non condivisi vengono ridotti”, spiega Matilde Barberi-Squarotti. L’analisi ha raggiunto un rapporto tra segnale e rumore pari a 6,2 e ha superato una serie di verifiche di robustezza, necessarie per valutare l’affidabilità della misura. Il risultato assume particolare rilevanza perché è stato ottenuto utilizzando soltanto le mappe radio dell’idrogeno, senza ricorrere al confronto con cataloghi esterni di galassie. È proprio questa caratteristica a rappresentare uno dei principali progressi metodologici della ricerca: la possibilità di ricavare informazioni cosmologiche direttamente dalle osservazioni dell’emissione radio diffusa.
Un progetto internazionale durato dieci anni: il contributo degli scienziati italiani
Il traguardo raggiunto da MeerKLASS arriva al termine di un percorso scientifico durato dieci anni, che ha coinvolto ricercatori distribuiti in sette Paesi e tre continenti. La complessità delle osservazioni e dell’elaborazione dei dati ha richiesto un lavoro continuativo, sostenuto da competenze scientifiche e tecnologiche differenti. A sottolineare il valore della scoperta è Mário Santos, dell’Università del Capo Occidentale, in Sudafrica, responsabile scientifico del progetto MeerKLASS. “Questo risultato” – ha dichiarato Mário Santos (Università del Capo Occidentale, Sudafrica), responsabile scientifico del progetto MeerKLASS – “rappresenta una pietra miliare nell’affermazione della mappatura d’intensità a 21 centimetri come nuovo strumento per la cosmologia. Questa misura ha richiesto dieci anni di lavoro paziente da parte di ricercatori distribuiti in sette Paesi e tre continenti. Molti di loro sono giovani scienziati che hanno dedicato a questo progetto l’intera carriera scientifica fino a oggi. Un risultato così ambizioso richiede un lavoro di squadra autentico e continuativo da parte di molte persone. E nulla di tutto questo sarebbe stato possibile senza il South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), che ha costruito e gestisce MeerKAT e ci ha aiutato ad affrontare le numerose difficoltà incontrate durante il progetto. È un’ulteriore dimostrazione di quanto la scienza di questo livello sia il frutto di un grande sforzo collettivo”. Il ruolo del South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), l’organizzazione che ha costruito e gestisce MeerKAT, è stato quindi fondamentale sia per la disponibilità dell’infrastruttura osservativa sia per il supporto fornito nell’affrontare le difficoltà emerse durante il progetto. La partecipazione delle università di Milano e Torino e dell’INAF di Trieste evidenzia inoltre il contributo della ricerca italiana allo sviluppo di nuove metodologie per l’osservazione delle strutture cosmiche su larga scala.
Energia oscura ed espansione dell’Universo: perché la scoperta è importante per la cosmologia
Le implicazioni del risultato vanno oltre la rilevazione di un segnale radio proveniente dal passato remoto del cosmo. L’obiettivo a lungo termine della collaborazione MeerKLASS è infatti quello di costruire mappe tridimensionali di enormi volumi dell’Universo, capaci di descrivere come la materia si è organizzata nel corso del tempo. Attraverso queste ricostruzioni sarà possibile studiare la formazione delle strutture cosmiche e ottenere informazioni sull’espansione dell’Universo. La distribuzione dell’idrogeno rappresenta, in questo contesto, uno strumento per seguire l’evoluzione della materia su scale molto estese. Le future mappe potranno inoltre offrire nuove possibilità di verifica per i modelli della gravità e dell’energia oscura, due ambiti centrali della ricerca cosmologica. L’interesse scientifico consiste nella possibilità di disporre di osservazioni capaci di mettere alla prova le descrizioni teoriche dell’evoluzione del cosmo, utilizzando informazioni raccolte attraverso una metodologia diversa da quelle basate sull’identificazione delle singole galassie. La misura raggiunta con MeerKAT costituisce dunque un passaggio verso l’impiego sistematico della mappatura dell’intensità dell’idrogeno come tecnica di osservazione cosmologica, con prospettive di applicazione su porzioni dell’Universo sempre più ampie.
Le prossime osservazioni di MeerKLASS e il futuro dello SKA Observatory
Il programma di ricerca non si conclude con il risultato appena pubblicato. La collaborazione internazionale sta proseguendo la raccolta di dati con l’obiettivo di osservare epoche cosmiche ancora più lontane e ampliare considerevolmente l’estensione delle regioni analizzate. La prospettiva è particolarmente ambiziosa: gli scienziati puntano a esplorare un volume dell’Universo oltre mille volte superiore rispetto a quello utilizzato per ottenere questa misura. Un ampliamento che consentirebbe di estendere l’analisi della distribuzione dell’idrogeno e di raccogliere nuove informazioni sull’evoluzione delle strutture cosmiche. Il lavoro della collaborazione MeerKLASS prepara anche il terreno per le future indagini cosmologiche dello SKA Observatory, il progetto scientifico di cui MeerKAT rappresenta un precursore. La capacità di riconoscere un’emissione radio estremamente debole, separandola da contaminazioni fino a un milione di volte più intense, dimostra il potenziale delle tecniche sviluppate nel corso della ricerca. Con l’aumento dei dati disponibili e l’estensione delle osservazioni, la mappatura radio dell’idrogeno a 21 centimetri potrà assumere un ruolo sempre più importante nello studio della struttura e della storia dell’Universo.