La scienza è stata illuminata dalla prima luce nell’universo

Circa 13,8 miliardi di anni fa, il nostro universo si è gonfiato verso l’esterno a un ritmo incredibile. Tutto ciò che osserviamo oggi, strettamente imballato insieme, si è espanso in una massa furiosa di luce e particelle. Ci sono voluti 380.000 anni perché questa zuppa calda e densa diventasse sottile e abbastanza fredda da permettere il passaggio della luce. Questa prima luce, che risale alla formazione dei primi atomi, è chiamata fondo cosmico a microonde e può essere rilevata ancora oggi.

“Quando lo osservi”, ha detto, “quello che stai guardando sono le condizioni iniziali dell’universo”. Emanuele ChanScienziato di squadra Laboratorio Nazionale Acceleratori SLAC e membro di spicco del Istituto Kavli di astrofisica, particelle e cosmologia (KIPAC) allo SLAC e a Stanford.

Chan è uno dei numerosi ricercatori che collaborano all’avanzato Osservatorio Simmons attualmente in costruzione nel deserto cileno di Atacama. L’Osservatorio Simmons dovrebbe essere online entro la fine dell’anno, ma grazie a una recente sovvenzione della National Science Foundation, le sue capacità continueranno a crescere. La versione avanzata includerà 30.000 rilevatori aggiuntivi della radiazione cosmica di fondo a microonde, fornendoci un quadro migliore dell’universo primordiale, della sua evoluzione e dei numerosi fenomeni al suo interno.

Oltre ai rilevatori, l’osservatorio aggiornato avrà migliori capacità di condivisione dei dati e un pannello solare che consente di risparmiare il 70% dell’energia della struttura, consentendo un funzionamento continuo e sostenibile.

“Raddoppierà la velocità di mappatura del ricevitore di un telescopio ad ampia apertura e renderà il nostro osservatorio eccezionalmente sensibile”, ha affermato. Susan ClarkAssistente Professore di Fisica alla Stanford University Facoltà di Lettere e Scienze e uno dei due scienziati del progetto per l’Advanced Simmons Observatory. “Avremo mappe davvero profonde e sensibili del fondo cosmico a microonde e dell’emissione di polvere polarizzata dalla nostra galassia, e saremo anche in grado di vedere come cambia il cielo nel cielo di notte in notte”.

Divulgazione dettagliata

I rilievi di vaste parti del cielo spesso richiedono anni per raccogliere e condividere i dati. Ma una volta completato, l’avanzato Osservatorio Simmons sarà in grado di creare e analizzare mappe del cielo quotidiane e condividere avvisi con la più ampia comunità scientifica su fenomeni fugaci come il lampo luminoso di un evento di disturbo delle maree, quando una stella si trova in una galassia lontana. Si avvicina troppo al buco nero e viene fatto a pezzi.

“Questo è un nuovo modo in cui possiamo osservare l’universo: guardare il cielo cambiare nel tempo nella gamma di lunghezze d’onda millimetriche dello spettro elettromagnetico. Non siamo mai stati in grado di farlo prima”, ha detto Clark, che è anche un senior membro del KIPAC.

Chan è particolarmente interessato a utilizzare il nuovo osservatorio per studiare come si formano le galassie. Poiché il fondo cosmico a microonde viaggia nello spazio per circa 14 miliardi di anni, fornisce principalmente una retroilluminazione per oggetti creati di recente. Oggetti massicci come galassie e ammassi di galassie proiettano ombre sullo sfondo cosmico a microonde e la loro attrazione gravitazionale può piegare i fotoni attorno a loro, rivelando masse invisibili come gas diffusi o materia oscura.

“Intorno alle galassie, c’è un alone molto esteso di gas diffuso che è difficile da osservare, e l’Osservatorio Simons ci permetterà di rilevarlo”, ha detto Shan. “E vedendo quanto è vasto, possiamo colmare alcune delle maggiori incertezze sulla formazione delle galassie”.

Zeeshan Ahmed, un membro anziano del KIPAC e scienziato principale dello SLAC, è un cosmologo osservativo che lavora per capire come si è evoluto l’universo e perché ha l’aspetto che ha. Spera che i dati del Simons Advanced Observatory integrino i dati di altri osservatori per dipingere un quadro più chiaro dell’universo e aiutare a risolvere le discrepanze tra passato e presente.

“Se guardi i dati dell’universo primordiale e del tardo universo, sono molto coerenti, tranne che per alcune cose contraddittorie che non sono completamente ordinate”, ha detto Ahmed. “È una coincidenza? O c’è qualcosa nella fisica fondamentale che non abbiamo ancora scoperto o compreso?”

Costruito per sorprendere

I team di tutto il paese stanno lavorando per progettare e costruire vari aspetti dei telescopi, dei rivelatori e dei sistemi di dati che consentiranno queste osservazioni. Ad esempio, Ahmed e i suoi colleghi stavano progettando un sistema che convertisse i segnali elettrici dai rivelatori nel più grande telescopio dell’Osservatorio Simons in dati che potessero essere condivisi e analizzati.

Per rilevare i fotoni del fondo cosmico a microonde, i sensori nei rivelatori devono essere mantenuti a temperature estremamente basse, appena un decimo di grado sopra lo zero assoluto (-459,49 gradi Fahrenheit). Anche differenze di temperatura così piccole possono alterare le letture e le apparecchiature standard per lo spostamento e l’elaborazione di tali segnali generano calore.

“Abbiamo fatto alcune scoperte tecnologiche e ideato l’architettura di come fornire sensori superconduttori all’elettronica a temperatura ambiente senza sovraccaricare il sistema con il calore”, ha detto Ahmed. “L’Osservatorio Simmons sarà il primo esperimento cosmico di fondo a microonde su larga scala a utilizzare questo schema di lettura su larga scala per l’osservazione scientifica”.

I ricercatori hanno idee su cosa troveranno all’avanzato Osservatorio Simons. Al di là del fondo cosmico a microonde, cercheranno e studieranno i luoghi di nascita di stelle lontane, il contenuto della polvere interstellare, le nubi di Oort esterne – gusci sferici di ghiaccio e polvere ai bordi dei sistemi solari – e una serie di altri fenomeni. Ma, date le capacità uniche di questo osservatorio, sono anche aperti a trovare qualcosa di inaspettato: incontrare alcuni dei pezzi del puzzle dell’universo che non sapevamo di mancare.

“Quando sei in grado di guardare l’universo in un modo nuovo, ti concedi la possibilità di essere sorpreso”, ha detto Clark. “Da quando gli umani sono stati in giro a interrogarsi sulle cose, abbiamo cercato di capire come siamo arrivati ​​qui e come funziona l’universo. E siamo davvero all’avanguardia nella nostra capacità di farlo.”