The “Epoca della Reionizzazione” rappresenta un periodo fondamentale per l’evoluzione cosmica ed ha sempre affascinato e incuriosito gli astronomi. Durante questa fase, si formarono le prime stelle e galassie che reionizzarono le nubi di idrogeno neutro che permeavano l’Universo. Questo concludeva le Ere Cosmiche Oscure e portava l’Universo a diventare “trasparente”, ciò che gli astronomi definiscono “Alba Cosmica”. Secondo i modelli cosmologici attuali, la reionizzazione durò da 380.000 a 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. Tale stima si basa su prove indirette, poiché gli astronomi non sono stati in grado di osservare direttamente l’Epoca della Reionizzazione.
Uno dei principali motivi per cui è stato sviluppato il Telescopio Spaziale James Webb (JWST) è proprio l’indagine di questo periodo, potendo penetrare il velo delle “ere oscure” grazie ai suoi potenti strumenti ottici infrarossi. Tuttavia, le osservazioni fornite da Webb hanno rivelato che esistevano molte più galassie nell’Universo primordiale di quanto si pensasse in precedenza. Secondo uno studio recente, questo suggerirebbe che la reionizzazione potrebbe essere avvenuta in modo più rapido e si sarebbe conclusa almeno 350 milioni di anni prima di quanto le nostre teorie prevedano. Ancora una volta, la possibilità di osservare l’Universo primordiale ha generato tensioni con le teorie cosmologiche attuali.
La ricerca è stata condotta da Julian B Muñoz, professore associato di astronomia presso l’Università del Texas ad Austin. Ha collaborato con John Chisholm, anch’egli professore associato di astronomia presso UT Austin; Jordan Mirocha, un dottorando NASA presso il Jet Propulsion Laboratory e il California Institute of Technology; Steven R Furlanetto, professore associato di fisica e astronomia all’Università della California-Los Angeles, e Charlotte Mason, professoressa associata presso il Cosmic Dawn Center all’Istituto Niels Bohr. L’articolo che descrive le loro scoperte è stato pubblicato sulle Monthly Notices della Royal Astronomical Society.
La storia dell’Universo è riassunta in questa infografica. Credito: NASA.
Secondo i modelli cosmologici attuali, l’Universo era composto da un plasma caldo e denso di protoni ed elettroni nei primi 380.000 anni dopo il Big Bang. Alla fine, l’Universo si raffreddò a sufficienza perché protoni ed elettroni potessero unirsi e formare idrogeno neutro. Circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang, iniziarono a formarsi le prime stelle (Popolazione III), estremamente massicce e calde. Queste stelle si unirono per creare le prime galassie, e la loro luce ultravioletta causò la scissione dell’idrogeno neutro in protoni ed elettroni (ovvero, divenne ionizzato).
Una volta che la maggior parte dell’idrogeno nell’Universo divenne ionizzato (circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang), l’Epoca della Reionizzazione terminò. A questo punto, l’Universo era trasparente e la luce di questo periodo è oggi visibile ai telescopi ottici. Come indicato da Chisholm in un comunicato stampa dell’UT Austin, la reionizzazione ha giocato anche un ruolo fondamentale nell’evoluzione dell’Universo. “Il processo ha riscaldato e ionizzato i gas nell’Universo, regolando la velocità con cui le galassie crescevano e si evolvavano,” “Queste prime stelle hanno stabilito la struttura generale delle galassie nell’Universo.”
Prima del lancio del JWST, gli scienziati si affidavano alle misurazioni della Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), la radiazione residua del Big Bang, e alla Foresta di Lyman-alpha – la lunghezza d’onda della luce associata alla reionizzazione dell’idrogeno. Grazie a questi dati, gli astronomi hanno potuto farsi un’idea di quanta energia fosse disponibile per la reionizzazione (il “budget fotonico”) e di quanto durasse. Come spiegato da Muñoz:
“[La reionizzazione] è l’ultimo grande cambiamento avvenuto. Si è passato da uno stato neutro e freddo a uno ionizzato e caldo. E non è qualcosa che è successo solo a una o due galassie. È accaduto all’intero Universo. È una questione di conti. Sappiamo che tutto l’idrogeno era neutro prima della reionizzazione. Da lì, hai bisogno di un’adeguata quantità di ultravioletti estremi per scindere ogni atomo. Quindi, alla fine della giornata, puoi fare i conti per capire quando è finita la reionizzazione.”
Tuttavia, le osservazioni effettuate con il JWST hanno rivelato dati che mettono in discussione i modelli accettati. Questo include una maggiore abbondanza di galassie, che producono più radiazione UV di quanto previsto. Queste scoperte suggeriscono che la reionizzazione sarebbe dovuta terminare tra i 550 e i 650 milioni di anni dopo il Big Bang piuttosto che 1 miliardo di anni. Ma se fosse vero, la CMB e la Foresta di Lyman-alpha apparirebbero diverse. In breve, c’è una tensione tra queste misurazioni e le osservazioni del Webb – come descrive il team nel loro studio, una “crisi del budget fotonico.”
Proprio come nella Tensione di Hubble, queste scoperte suggeriscono che potrebbe mancare qualcosa nei nostri attuali modelli cosmologici. Una possibilità esplorata dal team è la ricombinazione, dove protoni e elettroni ionizzati si ricompongono per formare idrogeno neutro. Questo è esattamente ciò che è accaduto 380.000 anni dopo il Big Bang, noto come “Era della Ricombinazione.” Se questo processo si fosse verificato più frequentemente di quanto suggeriscano i nostri modelli, potrebbe aumentare la quantità di luce UV estrema necessaria a reionizzare l’Universo. Come spiegato da Muñoz, sono necessarie osservazioni supplementari per confermare questa teoria:
“Abbiamo bisogno di osservazioni più dettagliate e approfondite delle galassie, e di una migliore comprensione del processo di ricombinazione. Risolvere questa tensione sulla reionizzazione è un passo chiave per comprendere finalmente questo periodo cruciale. Sono entusiasta di vedere cosa ci riserveranno i prossimi anni.”