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È stato pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society il nuovo studio della collaborazione internazionale MeerKLASS, che segna un passo avanti nell’utilizzo delle emissioni dell’idrogeno neutro per indagare la struttura e l’evoluzione del cosmo. La ricerca, realizzata con il radiotelescopio MeerKAT situato in Sudafrica, ha permesso di rilevare questo segnale su grandi scale cosmologiche.
Il contributo italiano
La ricerca ha visto anche un importante contributo italiano, con 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 tra gli autori dello studio.
L’obiettivo del gruppo è arrivare a costruire mappe tridimensionali di enormi volumi del cosmo, per ricostruire come si sono formate le strutture dell’Universo e come questo si è espanso nel tempo. Queste mappe potranno offrire nuovi strumenti per mettere alla prova i modelli che descrivono la gravità e l’energia oscura.
La tecnica dell’intensity mapping per osservare l’idrogeno
“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, ha spiegato in una nota Stefano Camera.
La tecnica utilizzata si chiama intensity mapping e consiste nel raccogliere l’emissione complessiva dell’idrogeno proveniente da molte galassie, anche quando i singoli oggetti non sono distinguibili. In questo modo è possibile ricostruire la distribuzione generale della materia su regioni molto estese, senza dover individuare una per una le galassie. Lo studio ha analizzato osservazioni raccolte nel 2021 su una porzione di cielo di circa 236 gradi quadrati. Il segnale rilevato risale a un’epoca in cui l’Universo aveva poco più di nove miliardi di anni.
La sfida di isolare il segnale cosmico
Una delle principali difficoltà della ricerca è stata distinguere il segnale dell’idrogeno dalle altre emissioni radio presenti nelle osservazioni, a partire da quelle prodotte dalla Via Lattea. Le contaminazioni possono infatti essere fino a centomila o un milione di volte più intense rispetto al segnale cosmico ricercato.
“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”, ha commenta Isabella Paola Carucci. “È come cercare di ascoltare una conversazione sussurrata durante un concerto”.
Per isolare il segnale, i ricercatori hanno utilizzato le 64 antenne di MeerKAT come telescopi indipendenti, una modalità che consente di osservare rapidamente ampie porzioni di cielo. Le mappe ottenute con gruppi diversi di antenne e in momenti differenti sono state poi confrontate: il segnale cosmico, comune alle diverse rilevazioni, può così essere distinto dal rumore e dagli effetti strumentali.
“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”, ha raccontato Matilde Barberi-Squarotti.
L’analisi ha raggiunto un rapporto tra segnale e rumore di 6,2 e ha superato una serie di verifiche di robustezza. Un aspetto rilevante è che la misura è stata ottenuta utilizzando esclusivamente le mappe radio dell’idrogeno, senza ricorrere al confronto con cataloghi esterni di galassie. Un risultato che rafforza le prospettive di utilizzo dell’intensity mapping come strumento autonomo per la cosmologia.
“Questo risultato rappresenta una pietra miliare nell’affermazione della mappatura d’intensità a 21 centimetri come nuovo strumento per la cosmologia”, ha dichiarato Mário Santos dell’Università del Capo Occidentale, in Sudafrica, responsabile scientifico del progetto MeerKLASS. La ricerca, ha sottolineato, è il frutto di dieci anni di lavoro da parte di scienziati distribuiti in sette Paesi e tre continenti, con il supporto del South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), che ha costruito e gestisce MeerKAT.
Le prossime mappe dell’Universo
Il programma MeerKLASS proseguirà con nuove raccolte di dati, che permetteranno di osservare epoche ancora più lontane e di esplorare un volume dell’Universo oltre mille volte superiore a quello analizzato nello studio. Il lavoro contribuisce inoltre a preparare il terreno per le future indagini cosmologiche dello SKA Observatory, di cui MeerKAT rappresenta un precursore.