Un gruppo internazionale di astrofisici ha scoperto un nuovo metodo per stimare la temperatura cosmica di fondo delle microonde del giovane Universo solo 880 milioni di anni dopo il Big Bang. È la prima volta che la temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde, una reliquia dell'energia rilasciata dal Big Bang, è stata misurata in un'epoca così precoce dell'Universo.
Il modello cosmologico prevalente presuppone che l'Universo si sia raffreddato dal Big Bang e continua ancora a farlo. Il modello descrive anche come dovrebbe procedere il processo di raffreddamento, ma finora è stato confermato direttamente solo per tempi cosmici relativamente recenti. La scoperta non solo pone una pietra miliare molto precoce nello sviluppo della temperatura cosmica di fondo, ma potrebbe anche avere implicazioni per l'enigmatica energia oscura. L'articolo "Temperatura di fondo a microonde a uno spostamento verso il rosso di 6,34 dall'assorbimento di H2O" è stato pubblicato su Nature il 2 febbraio 2022.
Gli scienziati hanno utilizzato l'osservatorio NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) nelle Alpi francesi, il più potente radiotelescopio dell'emisfero settentrionale, per osservare HFLS3, una galassia massiccia a una distanza corrispondente a un'età di soli 880 milioni di anni dopo il Big Bang. Hanno scoperto uno schermo di gas di acqua fredda che getta un'ombra sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. L'ombra appare perché l'acqua più fredda assorbe la radiazione a microonde più calda nel suo percorso verso la Terra, e la sua oscurità rivela la differenza di temperatura. Poiché la temperatura dell'acqua può essere determinata da altre proprietà osservate dello starburst, la differenza indica la temperatura della radiazione reliquia del Big Bang, che a quel tempo era circa sette volte superiore a quella dell'Universo di oggi.
"Oltre alla prova del raffreddamento, questa scoperta ci mostra anche che l'Universo nella sua infanzia aveva alcune caratteristiche fisiche abbastanza specifiche che oggi non esistono più", ha spiegato l'autore principale, il professor Dominik Riechers dell'Istituto di Astrofisica dell'Università di Colonia. "Abbastanza presto, circa 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang, il fondo cosmico a microonde era già troppo freddo perché questo effetto fosse osservabile. Abbiamo quindi una finestra di osservazione unica che si apre solo su un Universo molto giovane", ha continuato. In altre parole, se oggi esistesse una galassia con proprietà identiche a HFLS3, l'ombra d'acqua non sarebbe osservabile perché il contrasto richiesto nelle temperature non esisterebbe più.
"Questa importante pietra miliare non solo conferma la tendenza al raffreddamento prevista per un'epoca molto precedente a quella che è stata precedentemente possibile misurare, ma potrebbe anche avere implicazioni dirette per la natura dell'elusiva energia oscura", ha affermato il co-autore Dr. Axel Weiss del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn. Si pensa che l'energia oscura sia responsabile dell'espansione accelerata dell'Universo negli ultimi miliardi di anni, ma le sue proprietà rimangono poco conosciute perché non può essere osservata direttamente con le strutture e gli strumenti attualmente disponibili. Tuttavia, le sue proprietà influenzano l'evoluzione dell'espansione cosmica, e quindi la velocità di raffreddamento dell'Universo nel tempo cosmico.
Sulla base di questo esperimento, le proprietà dell'energia oscura rimangono, per ora, coerenti con quelle della "costante cosmologica" di Einstein. "Vale a dire, un Universo in espansione in cui la densità dell'energia oscura non cambia", ha spiegato Weiss.
Dopo aver scoperto una di queste nubi di acqua fredda in una galassia starburst nell'Universo primordiale, il team sta ora cercando di trovarne molte altre in tutto il cielo. Il loro scopo è quello di mappare il raffreddamento dell'eco del Big Bang entro i primi 1,5 miliardi di anni di storia cosmica. "Questa nuova tecnica fornisce nuove importanti intuizioni sull'evoluzione dell'Universo", ha detto Riechers.
Il co-autore e scienziato del progetto NOEMA Dr. Roberto Neri ha spiegato che il team sta già studiando l'ambiente circostante di altre galassie con NOEMA. "Con i miglioramenti attesi nella precisione dagli studi di campioni più grandi di nuvole d'acqua, resta da vedere se la nostra attuale comprensione di base dell'espansione dell'Universo regge".