L’idrogeno cosmico a 5 miliardi di anni luce era nascosto nei dati MeerKAT dal 2018

Quando Sourabh Paul e i suoi collaboratori hanno consultato l’archivio, cercavano un segnale che la maggior parte degli astronomi riteneva necessitasse due telescopi per essere individuato. Quello che è emerso da 96 ore di dati radio MeerKAT è stato un debole sussurro a 21 centimetri, la firma radio specifica dell’idrogeno neutro, che trasporta informazioni da due momenti della storia cosmica in cui l’universo aveva circa nove e dieci miliardi di anni. Il segnale aveva percorso 3,67 e 4,76 miliardi di anni luce per raggiungere i 64 piatti disposti nel Northern Cape del Sudafrica.

La distanza conta meno di ciò che è servito per ascoltarlo. Ogni precedente tentativo di rilevare l’idrogeno in questo modo richiedeva il confronto incrociato delle osservazioni radio con un catalogo di galassie identificate da un telescopio ottico. Questa volta, il team MeerKAT non ha avuto bisogno di un tale catalogo. La rilevazione, pubblicata su The Astrophysical Journal Letters, è il primo risultato diretto di mappatura dell’intensità dell’idrogeno ottenuto da un singolo osservatorio radio che lavora da solo.

Come lo hanno ascoltato

Gli atomi di idrogeno neutro emettono onde radio a una lunghezza d’onda precisa di 21 centimetri, prodotta quando il singolo elettrone in un atomo di idrogeno inverte il suo spin. È uno dei segnali più abbondanti nell’universo, ma anche uno dei più diluiti su distanze cosmiche. La mappatura dell’intensità dell’idrogeno non cerca di risolvere singole galassie. Misura l’emissione radio combinata di milioni di galassie non risolte simultaneamente. “Con la mappatura dell’intensità, non abbiamo bisogno di rilevare ogni singola galassia”, ha affermato il dott. Zhaoting Chen, coautore dell’articolo. La tecnica è più simile all’ascoltare il rumore di fondo di una stanza affollata che a isolare una singola conversazione.

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L’ostacolo è la contaminazione di primo piano. Le emissioni radio della stessa Via Lattea sono molti ordini di grandezza più forti del segnale cosmologico dell’idrogeno. L’interferenza terrestre, gli artefatti strumentali e le sorgenti radio nell’universo vicino competono tutte con il debole sussurro proveniente da miliardi di anni luce di distanza. Il team ha sviluppato metodi di calibrazione per separare ciò che appartiene alla nostra galassia da ciò che appartiene al passato profondo, lavorando interamente con l’archivio radio MeerKAT.

Il risultato copre due finestre di redshift, z ≈ 0,32 e z ≈ 0,44, corrispondenti a variazioni dell’idrogeno misurate su scale di diversi milioni di anni luce, approssimativamente paragonabili alla separazione tra la Via Lattea e Andromeda. È una fetta stretta della storia cosmica. Ma è reale, estratta senza il supporto di alcun dato ottico.

Ciò che prima richiedeva due telescopi

Il precedente approccio standard, la correlazione incrociata dei dati radio con un’indagine ottica delle galassie, funzionava perché i redshift ottici forniscono ancore posizionali precise per dove si trovano le galassie. Il segnale radio è troppo debole per essere attribuito a sorgenti specifiche da solo, quindi abbinarlo a un catalogo ottico permetteva agli astronomi di verificare che ciò che vedevano fosse genuino. La tecnica di correlazione incrociata ha prodotto rilevazioni, ma ha imposto un tetto: l’idrogeno poteva essere mappato solo dove un’indagine ottica aveva già catalogato il cielo.

La rilevazione diretta solleva quel tetto. Un osservatorio radio può ora esaminare l’idrogeno attraverso regioni del cielo ed epoche del tempo cosmico in cui non esiste un’indagine ottica, o dove le indagini ottiche non possono arrivare perché le galassie sono troppo deboli. La rete cosmica, i filamenti e i vuoti di materia oscura e materia ordinaria che danno all’universo la sua struttura su larga scala, può essere tracciata attraverso l’idrogeno indipendentemente dal fatto che le indagini ottiche abbiano coperto la stessa area.

L’autore principale, il dott. Sourabh Paul, lo ha detto direttamente: “Rilevarlo direttamente con MeerKAT dimostra che questa tecnica sta diventando uno strumento pratico per la cosmologia.”

Cosa il segnale non ci dice ancora

Due finestre di redshift da un singolo set di dati di 96 ore non sono una mappa dell’universo. Il risultato attuale copre un’area limitata di cielo e due fette specifiche del tempo cosmico. Sono necessari studi estesi, che coprano più cielo e più epoche, prima che la mappatura dell’intensità dell’idrogeno possa vincolare i parametri cosmologici che la tecnica è stata progettata per misurare: la costante di Hubble, la densità dell’energia oscura, la geometria dell’universo a diverse età.

La sottrazione del primo piano, sebbene riuscita, introduce incertezze sistematiche difficili da quantificare con precisione. Qualsiasi imperfezione nella rimozione dell’emissione della Via Lattea lascia un residuo che potrebbe contaminare il segnale cosmologico. Una verifica indipendente con diversi osservatori o con nuovi dati MeerKAT aiuterebbe a risolvere la questione del segnale rispetto all’artefatto.

Le due finestre di redshift raggiunte in questa rilevazione corrispondono all’universo a circa il 70 e il 66 percento della sua età attuale. Non sono le epoche in cui l’energia oscura e la formazione di strutture creano i contrasti cosmologici più utili. Le osservazioni future che spingono a redshift più elevati, dove la competizione tra energia oscura e densità di materia è più visibile nel modo in cui le strutture crescono, saranno il vero test della mappatura dell’intensità dell’idrogeno come sonda cosmologica.

Domande comuni sulla mappatura dell’intensità dell’idrogeno

Cos’è la linea a 21 centimetri e perché è importante?

Gli atomi di idrogeno neutro emettono un debole segnale radio esattamente alla lunghezza d’onda di 21 centimetri, causato da una transizione energetica nel singolo elettrone dell’atomo. Poiché l’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo, questa emissione è ovunque nel cosmo. Man mano che l’universo si espande, il segnale si allunga verso lunghezze d’onda maggiori. Misurare quell’allungamento dice agli astronomi sia la distanza della sorgente sia quando la luce è partita. È il segnale di trasmissione incorporato dell’universo, trasmesso continuamente da quando si sono formati i primi atomi.

Perché MeerKAT non aveva fatto questa rilevazione prima?

I dati sono stati raccolti nel primo anno di attività scientifica del telescopio. Identificare un metodo di analisi praticabile, sviluppare le tecniche di rimozione del primo piano e applicarle al set di dati d’archivio ha richiesto anni di lavoro di calibrazione. Il segnale era sempre nei dati. Estrarlo pulitamente ha richiesto che la metodologia recuperasse il ritardo. Il professor Mario Santos ha notato che è “particolarmente notevole” che la rilevazione sia arrivata da dati raccolti così presto nella vita operativa di MeerKAT.

Cos’è lo Square Kilometre Array e come questo risultato lo informa?

Lo Square Kilometre Array Observatory (SKAO), in costruzione in Sudafrica e Australia, avrà circa 50 volte più area di raccolta di MeerKAT. La mappatura dell’intensità dell’idrogeno è prevista come uno dei suoi programmi scientifici centrali. MeerKAT è il diretto precursore dello SKAO. Dimostrare che la mappatura diretta dell’intensità dell’idrogeno funziona nella pratica fornisce ai team scientifici dello SKAO metodi validati e una base di riferimento su cui pianificare i loro primi studi. La professoressa Laura Wolz ha definito il risultato MeerKAT un indicatore “per le future osservazioni con SKAO”.

La mappatura dell’intensità dell’idrogeno rileva la materia oscura?

Non direttamente. Il segnale a 21 cm proviene da atomi di idrogeno ordinari. Ciò che traccia è la distribuzione su larga scala della materia ordinaria, che segue l’impalcatura gravitazionale costruita dalla materia oscura nel corso della storia cosmica. Confrontando le mappe dell’idrogeno con la distribuzione delle galassie e i dati di lente gravitazionale, i cosmologi possono dedurre la densità e l’aggregazione della materia oscura senza rilevare le particelle di materia oscura stesse.

Il team prevede di estendere lo studio a una copertura più ampia del cielo e a sessioni di osservazione più lunghe, spingendo la rilevazione a redshift più elevati e mappe dell’idrogeno più dense. L’archivio MeerKAT contiene dati dei suoi primi anni di attività non ancora analizzati per la mappatura dell’intensità. Il segnale ascoltato dalle osservazioni del 2018 potrebbe essere il primo di diversi in attesa di essere trovati.

Riferimento: Paul, S., Chen, Z., Santos, M.G., and Wolz, L., “A Direct Detection of Neutral Hydrogen Intensity Mapping on Mpc Scales at z ≈ 0.32 and z ≈ 0.44,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/ae808f

Tag: 21-cm line, hydrogen intensity mapping, MeerKAT, radio astronomy, SKAO, Sourabh Paul

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