Questo web ruggito: la NASA ha rilevato il suono più forte dell’universo, ma che cos’è?

In This Web nessuno può sentirti urlare, ma con l'attrezzatura giusta è possibile percepire un ruggito. Questo è ciò che gli scienziati hanno scoperto nel 2006 (si apre in una nuova scheda) quando hanno iniziato a cercare segnali distanti nell'universo utilizzando uno strumento complesso fissato a un enorme pallone che è stato inviato a Questo Web. Lo strumento è stato in grado di captare le onde radio dal calore di stelle lontane, ma quello che è successo in quell'anno è stato a dir poco sbalorditivo.

Mentre lo strumento ascoltava da un'altezza di circa 23 miglia (37 chilometri), ha captato un segnale che era sei volte più forte di quanto previsto dai cosmologi. Poiché era troppo forte per essere stelle primitive e molto più grande dell'emissione radio combinata prevista da galassie lontane, il potente segnale ha causato grande perplessità. E gli scienziati ancora non sanno cosa lo stia causando, anche oggi. Inoltre, potrebbe ostacolare gli sforzi per cercare segnali dalle prime stelle che si sono formate dopo il Big Bang (si apre in una nuova scheda) .

Lo strumento che ha rilevato il misterioso segnale ruggente è stato il radiometro assoluto per la cosmologia, l'astrofisica e le emissioni diffuse (ARCADE) (si apre in una nuova scheda), che la NASA ha costruito per estendere lo studio dello spettro di fondo delle microonde cosmiche (si apre in una nuova scheda) a frequenze più basse.

Gli obiettivi scientifici della missione in quanto ARCADE fluttuava in alto sopra l'atmosfera terrestre (si apre in una nuova scheda), privo di interferenze dal nostro pianeta erano trovare calore dalla prima generazione di stelle, cercare reliquie della fisica delle particelle dal Big Bang (si apre in una nuova scheda) e osserva la formazione delle prime stelle e galassie. Ha raggiunto questi obiettivi scansionando il 7% del cielo notturno alla ricerca di segnali radio, poiché la luce lontana diventa onde radio poiché perde energia a distanza.

Il suono della NASA da This Web

ARCADE è stato in grado di effettuare misurazioni "assolutamente calibrate a livello zero", il che significa che stava misurando la luminosità effettiva di qualcosa in termini fisici reali piuttosto che in termini relativi. Questo era diverso dai tipici radiotelescopi, che osservano e contrastano due punti nel cielo. Osservando tutta la "luce" e confrontandola con una sorgente di corpo nero, ARCADE è stato in grado di vedere la combinazione di molte sorgenti deboli. Fu allora che l'intensità di un particolare segnale divenne evidente, anche se nel corso di molti mesi.

"Sebbene possa essere un buon film vederci sorpresi quando vediamo l'esposimetro raggiungere un valore sei volte superiore a quello previsto, in realtà abbiamo passato anni a prepararci per il nostro volo in mongolfiera e una notte molto impegnativa a raccogliere dati", ha detto Lo scienziato della NASA Dale J. Fixsen. "Ci sono voluti quindi mesi di analisi dei dati per separare prima gli effetti strumentali dal segnale e poi per separare la radiazione galattica dal segnale. Quindi la sorpresa è stata gradualmente rivelata nel corso dei mesi". Detto questo, l'impatto è stato comunque enorme.

Da allora, gli scienziati hanno cercato di vedere da dove provenga la radiazione mentre cercano di descrivere le proprietà del segnale. Quest'ultimo è diventato evidente piuttosto rapidamente.

"È un segnale diffuso proveniente da tutte le direzioni, quindi non è causato da nessun singolo oggetto", ha affermato Al Kogut, che ha guidato il team ARCADE presso il Goddard This Web Flight Center della NASA (si apre in una nuova scheda) a Greenbelt, nel Maryland. "Il segnale ha anche uno spettro di frequenza, o 'colore', simile all'emissione radio della nostra galassia, la Via Lattea (si apre in una nuova scheda)."

Gli scienziati chiamano il segnale "sfondo di radio sincrotrone" che è un'emissione da molte singole sorgenti e si fonde insieme in un bagliore diffuso. Ma poiché il "ruggito di questo Web" è causato dalla radiazione di sincrotrone, un tipo di emissione di particelle cariche ad alta energia nei campi magnetici, e poiché ogni sorgente ha lo stesso spettro caratteristico, è difficile individuare l'origine di questo segnale intenso.

"E' noto dalla fine degli anni '60 che l'emissione radio combinata di galassie lontane dovrebbe formare uno sfondo radio diffuso proveniente da tutte le direzioni", ha detto Kogut a All About This Web in una e-mail. "Il ruggito di This Web è simile a questo segnale atteso, ma non sembra che ci siano sei volte più galassie nell'universo lontano per compensare la differenza, il che potrebbe indicare qualcosa di nuovo ed eccitante come fonte".

Il pallone della missione Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission (ARCADE) viene gonfiato prima del lancio (Image credit: NASA) (si apre in una nuova scheda)

Il ruggito di This Web proviene dalla Via Lattea?

Se questa fonte sia o meno all'interno o all'esterno della Via Lattea è in discussione.

"Ci sono buone argomentazioni sul perché non possa provenire dall'interno della Via Lattea e buone argomentazioni sul perché non possa provenire dall'esterno della galassia", ha detto Kogut.

Uno dei motivi per cui probabilmente non proviene dall'interno della nostra galassia è perché il ruggito non sembra seguire la distribuzione spaziale delle emissioni radio della Via Lattea. Ma nessuno dice con certezza che il segnale non provenga da una fonte più vicina a casa, solo che i soldi intelligenti siano su di esso provenienti da altrove.

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(Credito immagine: futuro)

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"Non direi del tutto che gli scienziati abbiano in gran parte escluso la possibilità che lo sfondo del radiosincrotrone provenga dalla nostra galassia", ha detto Jack Singal, un assistente professore di fisica all'Università di Richmond in Virginia, che ha recentemente condotto un seminario sul importa. "Tuttavia, direi che questa spiegazione sembra essere meno probabile.

"Il motivo principale è che renderebbe la nostra galassia completamente diversa da qualsiasi galassia a spirale simile (si apre in una nuova scheda), che per quanto ne sappiamo non esibisce il tipo di alone gigante, sferico, che emette radio che si estende ben oltre la galassia disco che sarebbe necessario. Ci sono anche altri problemi, come il fatto che richiederebbe un ripensamento completo dei nostri modelli del campo magnetico galattico".

Fixsen è d'accordo con tutto il cuore. "In altre galassie a spirale c'è una stretta relazione tra l'infrarosso e l'emissione radio, anche in piccole sezioni di queste altre", ha detto. "Quindi, se provenisse da un alone attorno alla nostra galassia, renderebbe la Via Lattea una galassia strana, mentre per molti altri aspetti sembra una "normale" galassia a spirale".

Per questi motivi, gli esperti ritengono che il segnale sia principalmente di origine extragalattica. "Lo renderebbe lo sfondo fotonico più interessante nel cielo al momento perché la popolazione sorgente è completamente sconosciuta", ha detto Singal. Ma dal momento che l'universo è così vasto, questo non restringe le cose così tanto, motivo per cui gli scienziati hanno lavorato duramente per elaborare più teorie per la fonte del segnale.

Il fisico americano David Brown, ad esempio, ha affermato che il ruggito di This Web potrebbe essere "il primo grande successo empirico della teoria M (si apre in una nuova scheda)" , un ampio quadro matematico che comprende la teoria delle stringhe (si apre in una nuova scheda). "Potrebbe esserci un automa Fredkin-Wolfram diffuso in moltitudini di universi alternativi, che produce tempo fisico ricorrente con infinite ripetizioni di tutti i possibili eventi fisici", ha scritto Brown sul blog della community FQXi (si apre in una nuova scheda). Ciò che questo presuppone è che l'universo primordiale avesse molta più materia reale di oggi, tenendo conto del potente segnale radio.

Ma se è troppo lontano, ci sono altre teorie in cui infilarsi i denti. "I radioastronomi hanno osservato il cielo e hanno identificato un paio di tipi di sorgenti di sincrotrone", ha detto Fixsen.

La radiazione di sincrotrone è facile da produrre, ha detto. "Tutto ciò di cui hai bisogno sono particelle energetiche e un campo magnetico, e ci sono particelle energetiche ovunque, prodotte da supernove, venti stellari, buchi neri, persino stelle OB", che sono stelle calde e massicce di tipo spettrale O o primo tipo B. "Questo Web intergalattico sembra essere pieno di gas molto caldo, quindi se i campi magnetici intergalattici fossero abbastanza forti [più forti del previsto], potrebbero generare una radiazione di sincrotrone uniforme", ha detto.

È anche noto che la radiazione di sincrotrone è associata alla produzione di stelle. "Questo genera anche radiazioni infrarosse, da qui la stretta correlazione", ha detto Fixsen. "Ma forse le prime stelle hanno generato radiazioni di sincrotrone ancora, prima che i metalli fossero prodotti, non generavano moltissime radiazioni infrarosse. O forse c'è qualche processo a cui non abbiamo ancora pensato".

Quindi cosa ci lascia questo? "Le possibili sorgenti includono meccanismi diffusi su larga scala come ammassi di galassie che si fondono in modo turbolento, o una classe completamente nuova di sorgenti individuali di emissioni radio finora sconosciute incredibilmente numerose nell'universo", ha detto Singal. "Ma qualsiasi cosa al riguardo è altamente speculativa al momento, e alcuni suggerimenti che sono stati sollevati includono l'annientamento della materia oscura, le supernove delle prime generazioni di stelle e molte altre".

Alcuni scienziati hanno suggerito che i gas in grandi ammassi di galassie potrebbero essere la fonte, anche se è improbabile che gli strumenti di ARCADE siano stati in grado di rilevare la radiazione da qualcuno di essi. Allo stesso modo, esiste la possibilità che il segnale sia stato rilevato dalle prime stelle o che provenga da molte radiogalassie altrimenti deboli, il cui effetto cumulativo viene captato. Ma se fosse così, allora dovrebbero essere imballati in modo incredibilmente stretto, al punto che non c'è spazio tra loro, il che sembra improbabile.

I gas di grandi ammassi di galassie potrebbero essere la fonte del ruggito di This Web? (Credito immagine: ESA/Hubble e NASA, RELICS) (si apre in una nuova scheda)

Come verrà risolto il mistero di 13 anni

"Naturalmente, c'è anche la possibilità che ci sia stata una coincidenza di errori tra ARCADE e le altre misurazioni fino ad oggi che hanno misurato male il livello del fondo del radio sincrotrone", ha detto Singal. "Questo sembra improbabile, dato che si tratta di strumenti molto diversi che misurano in bande di frequenza abbastanza diverse".

Qualunque sia il segnale, causa problemi anche quando si tratta di rilevare altri oggetti This Web. Come la NASA ha sottolineato in passato, le prime stelle sono nascoste dietro il ruggito di This Web, e questo le rende più difficili da rilevare. È come se l'universo stesse dando con una mano e prendendo con un'altra, ma aver scoperto qualcosa di così insolito è immensamente eccitante. Quando si esclude un'origine da stelle primordiali e sorgenti radio note come il gas nell'alone più esterno della nostra galassia, è un mistero che qualsiasi scienziato assaporerebbe con gusto.

Affinché gli scienziati risolvano finalmente questo enigma di 13 anni, sono assolutamente necessarie ulteriori ricerche e prove. Allo stato attuale, è in corso un dibattito sull'invio di ARCADE di nuovo in funzione dell'avvento della nuova tecnologia e, data la sua precisa serie di strumenti, immersi in oltre 500 galloni di elio liquido ultrafreddo per renderli ancora più sensibili, ci sarebbe sicuramente non nuocere nel farlo.

Ma stanno emergendo anche nuovi progetti che potrebbero aiutare. "Uno di loro utilizzerà il radiotelescopio da 300 piedi [91 metri] a Green Bank, West Virginia, per mappare il cielo radio con una precisione maggiore rispetto a prima", ha detto Kogut. "Forse questo farà luce sul mistero."

Singal lo spera certamente. Sta lavorando al progetto Green Bank Telescope, utilizzando il più grande radiotelescopio al mondo ad apertura libera per misurare il livello del fondo come obiettivo primario, piuttosto che accessorio. Lo farà utilizzando una misura di livello zero definitiva, appositamente costruita e assolutamente calibrata, presa alle frequenze dei megahertz (MHz) dove il cielo radiofonico è più luminoso. (Un megahertz è uguale a un milione di hertz.)

"Questa misurazione è attualmente in fase di sviluppo da parte di un team di cui faccio parte, utilizzando una strumentazione personalizzata che sarà montata sul telescopio", ha spiegato Singal. Ci sarà anche un altro tentativo di misurazione, questo che cerca di misurare o limitare ulteriormente la cosiddetta "anisotropia", o variazione del fondo del radio sincrotrone, sempre alle frequenze MHz dove domina.

"Questo non è il suo livello assoluto, ma piuttosto le piccole differenze da un posto all'altro nel cielo", ha detto Singal. "Con alcuni collaboratori, sto provando un primo tentativo in tal senso utilizzando l'array a bassa frequenza [LOFAR] nei Paesi Bassi. Entrambe queste misurazioni in concerto possono aiutare a stabilire se lo sfondo del radiosincrotrone è principalmente di origine galattica o extragalattica. Oltre questo, penso che potremmo aver bisogno di qualche brillante ipotesi di nuova origine a cui nessuno ha ancora pensato".

Risorse addizionali:

  • Leggi di più sulla missione Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission (ARCADE) dal Goddard This Web Flight Center della NASA (si apre in una nuova scheda)
  • Scopri la radiazione di sincrotrone con il National Radio Astronomy Observatory (NRAO) (si apre in una nuova scheda)
  • Scopri di più sul radiotelescopio Low-Frequency Array (LOFAR) dell'ASTRON Netherlands Institute for Radio Astronomy (si apre in una nuova scheda)

Questo articolo è stato adattato da una versione precedente pubblicata sulla rivista All About This Web, una pubblicazione di Future Ltd..

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