Dic 5

Riga a 21 cm salvaci tu! **

Ho ripreso questo vecchio articolo, inserendo una figura oltremodo schematica per cercare di visualizzare di cosa stiamo parlando. Visto che la riga a 21 cm ha avuto l’onore della prima pagina, tanto vale battere il chiodo finché è caldo. Non sono ammesse, però, estrapolazioni verso il futuro: prima dobbiamo digerire Minkowski

L’Universo odierno è ormai pieno di galassie e di strutture ancora più larghe che le contengono. E’ come se vivessimo in una città, piena di palazzi, senza però poter sapere come sono stati costruiti, dato che ormai non se ne fabbricano più.

Le galassie iniziarono a costruirsi quando si formarono zone di materia perturbata, come piccoli vortici in un fiume o increspature in un tessuto quasi perfettamente liscio. La prima luce dell’Universo (quella relativa a circa 380 000 anni dopo il Big Bang) ci fa capire che queste  disomogeneità sono state sicuramente i semi di tutto ciò che esiste oggi, ma il passo successivo ci fa vedere le strutture già completate.

In altre parole, oggi riusciamo a vedere perfettamente bene gli edifici che si sono costruiti e la loro evoluzione, ma solo confusamente la materia che formò i primi mattoni "materiali".

Viviamo, allora, nel momento migliore per studiare l’Universo? O sarà magari meglio aspettare ancora un po’? O conviene, invece, andare indietro nel tempo? Recenti ricerche hanno stabilito che l’ideale sarebbe stato osservare l’Universo intorno ai 500 milioni di anni d’età. Più si va verso il futuro e più informazioni sulle fasi originarie dell’Universo si perdono o si deteriorano.

Vi sono due processi contrastanti nell’evoluzione dell’Universo che definiscono il momento migliore. Quando l’Universo era eccessivamente giovane, il tempo trascorso era troppo breve per permettere alla luce proveniente da zone lontane di giungere a un ipotetico osservatore. Egli si doveva accontentare di fenomeni estremamente locali. Al crescere dell’età l’informazione cresceva e l’orizzonte visibile aumentava, ma, nel frattempo, le strutture si ingigantivano e perdevano le caratteristiche iniziali. In altre parole, la nascita delle galassie “sporcava” la nitidezza delle fasi precedenti, come il fango sporca una limpida pozza d’acqua.

I due processi si sovrapponevano e mentre uno favoriva l’osservazione, l’altro la rendeva più complicata e confusa. Il maggior numero di informazioni sui processi formativi fondamentali dell’attuale Universo si sarebbe ottenuto intorno ai 500 milioni di anni d’età. Gli anni erano sufficienti per vedere abbastanza lontano, ma non si era ancora circondati da strutture troppo complicate e lontane dalle loro fasi originarie.

Non è certo casuale che questo periodo sia proprio quello in cui si sono formate le prime stelle e le prime galassie. Poco tempo dopo certe informazioni sono andate inesorabilmente perdute.

Tuttavia, non è ancora troppo tardi. La tecnologia odierna può ancora permetterci di analizzare quel periodo. Basta usare gli occhiali o le orecchie giuste. E questi occhiali sono quelli che scrutano nell’emissione dell’idrogeno a 21 cm di lunghezza d’onda. Nella nebbia oscura della fase in cui l’Universo era composto essenzialmente di idrogeno neutro, senza emissione di luce, le stelle si stavano formando. Studiare la loro luce sarebbe già un passo troppo avanzato. I 21 centimetri sono gli unici che ci possono ancora permettere di avere una mappa di ciò che esisteva e dei processi di aggregazione che avvenivano, quando i primi mattoni si stavano mettendo insieme.

Per meglio spiegare, in modo semplicistico, queste condizioni, disegniamo la Fig. 1. Le coordinate sarebbero quelle comoventi , ma noi possiamo tranquillamente considerarle come rappresentazioni elementari dello spazio e del tempo: assi ortogonali tra loro. L’espansione dell’Universo è contenuto nelle stesse coordinate, ma noi possiamo invaginare che non esista. Le linee di Universo sono, perciò, rette verticali tutte parallele tra loro. La Terra, cioè l’osservatore, si muove lungo la retta nera più  a destra. Consideriamo solo ciò che avviene a sinistra (a destra si ottiene la stessa identica rappresentazione). Ovviamente, la scala del tempo non è rispettata...

Figura 1
Figura 1

La linea verde orizzontale sia il Big Bang, seguito dalla fase pre-rumore di fondo, quando i fotoni non potevano uscire a causa della zuppa troppo densa in cui si trovavano (zona grigio scura). Finalmente, con la zona grigio chiara si entra nell’Universo non ionizzato, subito dopo l’emissione della radiazione cosmica di fondo. Per i nostri scopi questa radiazione non interessa, dato che appartiene a un Universo che invia solo informazioni sulla temperatura e non su effettive concentrazioni di materia.

La fase grigio chiara successiva è molto più interessante. E’ proprio in quel periodo di tempo che si formano gli agglomerati che poco alla volta si addensano fino a innescare la nuova ionizzazione e l’invio della luce. Il primo invio di luce è, però, già un momento troppo “avanzato”, dato che si è formata la prima stella. Noi vogliamo solo vedere -o vedere al meglio- ciò che capitava prima che comparisse la luce, ossia prima che nascessero stelle  e galassie. E lo vogliamo vedere con il minor fastidio possibile causato dalla radiazione luminosa.

Sembra che si stiano dicendo cose assurde. Ma come? Non vogliamo la luce, proprio l’unica cosa che ci porta informazione? Ebbene sì. Vogliamo vedere solo quella luce veramente speciale che nasce anche senza avere stelle o altri oggetti capaci di ionizzare gli atomi. Gli atomi di idrogeno neutro sono gli unici abitanti della zona grigio chiara e lungo le loro linee di Universo nasceranno le stelle e le galassie che abbiamo disegnato come sfere sempre più grandi per mostrare la loro evoluzione in grandezza ma anche in “rumore” luminoso. Esse nascono come entità luminose già nella zona azzurra, in cui vi è ancora parecchia nebbia a causa della materia non ionizzata.

Andiamo per esclusione. Le posizioni dell’osservatore, da 1 a 2 a 4 e ancora dopo, ricevono la luce lungo i loro rispettivi coni di luce passati. A mano a mano che si ingrandiscono, il numero di galassie che giungono all’osservatore aumenta (aumenta l’orizzonte) e anche la loro evoluzione. E’ vero che giunge anche la luce “rossa”, quella che è partita dalla zona non ionizzata, ma essa si mischia a quella degli altri oggetti ormai evoluti.

Non ci resta che tornare indietro nel tempo, all’interno della zona grigia. Lì potremmo vedere solo e soltanto luce rossa, quella dei 21 cm, dato che non esiste altra possibilità di emettere qualcosa di rivelabile. Tuttavia, non possiamo nemmeno esagerare. Se tornassimo troppo indietro avremmo un orizzonte molto piccolo, nel quale non si riuscirebbe a leggere bene cosa sta capitando su grande scala. Vedremmo tanti mattoncini, ma non le fasi di costruzione degli edifici maggiori.

Insomma, l’ideale è osservare al bordo superiore della zona grigio chiara, intorno ai 500 milioni di anni, prima che inizino a formarsi le stelle nella zona azzurra. La posizione più favorevole è quella che ha come cono di luce passato la linea rossa più spessa. Al limite, potremmo anche spingerci un po’ avanti, ma non troppo, se no la luce “parassita” diventerebbe fastidiosa.

Ma noi non c’eravamo… accidenti! Dobbiamo accontentarci e cercare, comunque, di leggere, tra tanti disturbi, la “luce” relativa all’idrogeno neutro e ai suoi elettroni ballerini. Tanto vale, quindi, aspettare e sperare di migliorare sempre di più le strumentazioni.

Però, però, non si può perdere tempo. Innanzitutto, teniamo  conto che la lunghezza d'onda aumenta sempre più... Ma, ancora più importante è l'espansione dell'Universo.  Se essa  accelera veramente, le condizioni diventeranno sempre più problematiche. Le galassie usciranno continuamente dal nostro orizzonte osservativo. La loro luce non riuscirà più a giungere sulla Terra e così anche quella delle fasi di costruzione. Il percorso da compiere diventerà troppo grande e le informazioni saranno perse per sempre. Tra 10 e 100 volte l’età attuale, ben poco potrà essere visto.  L’Universo sembrerà vuoto e quindi privo di informazione.

Se vogliamo guardare direttamente cos’è successo nelle prime fasi dell’Universo, dobbiamo darci da fare adesso. “Domani” potrebbe essere troppo tardi e potremmo solo farlo attraverso teorie impossibili da verificare.

Un'analisi completa di questa seconda parte non è troppo semplice e deve tener conto dell’espansione dell’Universo e della sfera di Hubble che in qualche modo limita le informazioni che potranno raggiungerci in futuro, dato che la loro velocità di regressione diventerà superiore a quella della luce. Vi prego, per adesso, di non chiedere di  più di quanto ho cercato di spiegare con parole estremamente semplici. Aspettiamo, almeno, di avere introdotto compiutamente lo spazio-tempo di Minkowski. Poi , magari, ci torneremo sopra. Per adesso… accontentavi.

Il lavoro originario si può leggere QUI

2 commenti

  1. Alvermag

    Il mio commento è: WOOOOW!!

  2. foscoul

    Ottima analisi che fa il punto della situazione.
    Per qua riguarda l'espansione dell'universo e la sfera di Hubble va bene tutto basta non ricominciamo a parlare di "palloncini". 8-O
    :lol: :mrgreen:

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