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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

La materia oscura non è poi così oscura, dopo tutto

26 Oct 2012 01:23 AM – Michele Diodati

«Lo spazio è pieno di misteri. Aiuto, help me, S.O.S.», cantavano gli Oliver Onions nel 1979. Era la sigla finale di Spazio 1999, serie cult che ogni serio appassionato di scienza e fantascienza oltre la quarantina ha nel suo curriculum di telespettatore. Ma lo spazio è davvero pieno di misteri, non solo nella finzione fantascientifica. Uno di questi, per esempio, è il fondo cosmico a infrarossi o CIB, dall'inglese "Cosmic Infrared Background".

Analogo per certi versi al fondo cosmico a microonde o CMB, il CIB è un bagliore diffuso in tutto il cielo, rilevato con chiarezza negli ultimi decenni da diversi satelliti a infrarossi (IRAS, ISO, COBE, Spitzer, Herschel). Si presenta come una granulazione di macchie luminose, che ricorda la distribuzione delle puntine abrasive su un foglio di carta vetrata o l'effetto sabbia di un canale non sintonizzato sui televisori di una volta. È difficilissimo capire esattamente cosa sia, perché non c'è un chiaro corrispettivo di ogni sorgente nella luce visibile e soprattutto perché esistono diverse sorgenti di luce infrarossa, poste a distanze molte diverse, che possono contribuire, tutte insieme o separatamente, all'emissione infrarossa totale, per ogni singola porzione di spazio osservata dagli strumenti.

Nel corso degli anni, gli astronomi hanno sviluppato tecniche molto sofisticate per eliminare o mascherare tutte le fonti di radiazione infrarossa riconoscibili, dalla luce zodiacale al rumore strumentale, dalle stelle nell'alone galattico alle galassie più fioche, in modo da ottenere un'immagine quanto più possibile fedele dell'elemento misterioso nudo e crudo: quel bagliore infrarosso distribuito in modo granulare nel cielo, che, per quello che ne sappiamo, potrebbe essere causato tanto da fenomeni cosmologici antichi come l'Universo, quanto da cause a noi molto più prossime e meno epiche.

A destra, una porzione di cielo nella costellazione dell'Orsa Maggiore, osservata con il telescopio spaziale a infrarossi Spitzer. A sinistra, la stessa regione dopo il mascheramento di tutte le sorgenti infrarosse extragalattiche e stellari. Ciò che rimane è il fondo a infrarossi, che fu interpretato da Alexander Kashlinsky, in uno studio pubblicato nel 2006, come il residuo della radiazione di stelle supermassicce esistite nell'universo primordiale. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / GSFC

A destra, una porzione di cielo nella costellazione dell'Orsa Maggiore, osservata con il telescopio spaziale a infrarossi Spitzer. A sinistra, la stessa regione dopo il mascheramento di tutte le sorgenti infrarosse extragalattiche e stellari. Ciò che rimane è il fondo a infrarossi, che fu interpretato da Alexander Kashlinsky, in uno studio pubblicato nel 2006, come il residuo della radiazione di stelle supermassicce esistite nell'universo primordiale. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / GSFC

Alexander "Sasha" Kashlinsky, cosmologo del Goddard Space Flight Center, propende per la spiegazione cosmologica. In una serie di studi pubblicati a partire dal 2005, Kashlinsky e il suo team analizzarono accuratamente alcune osservazioni profonde del telescopio spaziale Spitzer, rimuovendo ogni possibile fonte di radiazione infrarossa proveniente da sorgenti vicine o moderatamente lontane. Il bagliore residuo fu interpretato dallo studioso israeliano come la luce emessa miliardi di anni fa dal furioso bruciare delle gigantesche stelle di popolazione III, le prime che si formarono dopo il Big Bang. Pesanti centinaia, forse migliaia di volte più del Sole, quelle stelle fatte solo di idrogeno e di elio diffusero per la prima volta la luce nell'universo. Quella luce ci appare oggi come il fondo cosmico a infrarossi, allungata al di sotto della soglia del visibile a causa dell'immensa distanza percorsa e dell'intervenuta espansione dell'universo. Se fu veramente prodotta da quelle lontane progenitrici, doveva essere in origine un oceano accecante di radiazione ultravioletta e luce visibile.

La difficoltà di una simile ricostruzione è riconosciuta dallo stesso Kashlinsky, che ha paragonato le osservazioni del fondo a infrarossi al tentativo di osservare da Los Angeles lo spettacolo di fuochi della festa del 4 luglio a New York. Innanzitutto bisogna riuscire a rimuovere tutte le luci che si trovano nelle migliaia di chilometri di territorio tra le due città e che appaiono, viste da Los Angeles, in primo piano. Poi bisogna mascherare le luci accecanti della città di New York. Si rimane alla fine con una mappa confusa che suggerisce come quei fuochi sono distribuiti nello spazio, ma non permette di separarli individualmente, perché restano troppo lontani.

Ma, a proposito dell'origine del fondo a infrarossi, altri studiosi la pensano un po' diversamente. In un articolo pubblicato il 25 ottobre 2012 su Nature, che ha come primo autore Asantha Cooray dell'Università della California a Irvine, si dà conto di una serie di osservazioni eseguite in quattro epoche differenti, dal 2004 al 2008, sempre con il telescopio spaziale Spitzer. La differenza rispetto alle osservazioni su cui erano basati gli studi di Kashlinsky è che la regione di cielo osservata è stavolta più vasta, coprendo un'area di 10,5 gradi quadrati nella costellazione settentrionale Boote, casa della gigante rossa Arturo.

Dopo aver corretto i dati tenendo conto del rumore nel segnale e aver mascherato le sorgenti infrarosse note vicine e lontane, le analisi svolte da Cooray e colleghi portano alla conclusione che le due spiegazioni ritenute precedentemente più probabili siano in realtà incompatibili con i dati osservativi raccolti. La prima spiegazione, cioè che le fluttuazioni nell'infrarosso siano la lontana eco delle luci emesse dalle prime galassie formatesi nell'universo, è – secondo uno degli autori, Edward L. Wright dell'Università della California a Los Angeles – incompatibile con i dati in ragione di un fattore 1000. La seconda spiegazione, cioè che responsabili della fluttuazione nell'infrarosso siano galassie molto fioche situate a distanze decisamente minori, di "soli" 4 o 5 miliardi di anni luce, è incompatibile, più modestamente, di un fattore 10.

L'ipotesi alternativa proposta dal team di Cooray e Wright è che le fluttuazioni del fondo a infrarossi dipendano dalla luce emanata da piccole e disperse popolazioni di stelle, vaganti all'interno degli immensi aloni di materia oscura, che, secondo la teoria oggi prevalente, circondano galassie e ammassi di galassie. Quando due galassie collidono o una galassia nana viene assorbita da una maggiore, la gran parte delle stelle resta gravitazionalmente legata e finisce riassorbita all'interno delle galassie superstiti. Ma una piccola percentuale, forse di una stella su mille, trova, secondo questa congettura, un destino differente: resta isolata nell'alone di materia oscura, contribuendo a formare quella che viene definita IHL, dall'inglese "intrahalo light", cioè luce interna all'alone.

Rappresentazione artistica di scie di stelle disperse nello spazio in seguito a collisioni e fusioni tra galassie. Cortesia: NASA / JPL-Caltech

Rappresentazione artistica di scie di stelle disperse nello spazio in seguito a collisioni e fusioni tra galassie. Cortesia: NASA / JPL-Caltech

La percentuale di stelle intrappolate negli aloni di materia oscura è secondo gli autori proporzionale alla massa degli stessi:

È lecito attendersi che la frazione di stelle strappate sia in funzione della massa dell'alone, con gli aloni più massicci contenenti una frazione maggiore dell'emissione diffusa proveniente dagli aloni.

Secondo i calcoli presentati nello studio, le fluttuazioni osservate nell'infrarosso possono essere descritte come luce di stelle disperse negli aloni, nel caso questi siano compresi in una gamma di masse tra un miliardo e mille miliardi di masse solari. Entro tali limiti, la frazione di luce stellare d'alone oscillerebbe tra 0,07 e 0,2 per cento della luminosità totale, con un livello di attendibilità della previsione pari al 68%.

Forse solo il James Webb Space Telescope, con il suo grande specchio progettato specificamente per l'infrarosso, potrà dirci (ma non prima del 2018) quale delle due spiegazioni – se la luce delle stelle di popolazione III proposta da Kashlinsky o quella delle stelle intrappolate negli aloni di materia oscura avanzata dal team di Cooray e Wright – sia la vera origine del fondo cosmico a infrarossi. Forse sono parzialmente vere entrambe o forse nessuna.

Ma una cosa è facile da immaginare: la sensazione di solutidine cosmica che si proverebbe a osservare il cielo notturno dalla superifcie di un ipotetico pianeta, in orbita intorno a una stella solitaria dispersa in un alone di materia oscura. Se non vi fossero lune a riflettere la luce stellare, il cielo apparirebbe a un occhio umano totalmente nero, fatta eccezione forse per qualche galassia appena visibile a occhio nudo come un indistinto bagliore lattiginoso. Da un simile avamposto perso nel nulla apparirebbe di certo ancor più vero il refrain di quella vecchia canzone degli Oliver Onions: sì, lo spazio è veramente pieno di misteri.

A sinistra, immagine a infrarossi prodotta dal telescopio spaziale Spitzer di una regione nella costellazione Boote. A destra, il risultato del mascheramento delle sorgenti infrarosse in primo piano operato dal team di Cooray, che lascia come residuo il fondo a infrarossi, spiegato con l'ipotesi della luce proveniente da stelle disperse negli aloni di materia oscura. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / UC Irvine

A sinistra, immagine a infrarossi prodotta dal telescopio spaziale Spitzer di una regione nella costellazione Boote. A destra, il risultato del mascheramento delle sorgenti infrarosse in primo piano operato dal team di Cooray, che lascia come residuo il fondo a infrarossi, spiegato con l'ipotesi della luce proveniente da stelle disperse negli aloni di materia oscura. Cortesia: NASA / JPL-Caltech / UC Irvine

Edward "Ned" Wright, uno degli autori dello studio pubblicato su <i>Nature</i>, visto nell'infrarosso. Le parti più calde appaiono brillanti, quelle più fredde, come i vestiti, scure

Edward "Ned" Wright, uno degli autori dello studio pubblicato su <i>Nature</i>, visto nell'infrarosso. Le parti più calde appaiono brillanti, quelle più fredde, come i vestiti, scure

Riferimenti

Tag: materia oscura, IHL, popolazione III, infrarosso, telescopio spaziale spitzer, CIB, articoli

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