Le prime stelle si sono formate più tardi del previsto: nuovi risultati da Planck

Il satellite europeo Planck ha rivelato che la prima generazione di stelle nell'Universo si è formata ben più tardi di quanto suggerito dalle misurazioni precedenti, indicando che l'epoca di reionizzazione è stata molto più rapida del previsto.

La polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. Copyright: ESA and the Planck Collaboration

Pochi istanti dopo il Big Bang, l'Universo era un denso e caldo mare di particelle. Protoni, neutrini ed elettroni costituivano una sorta di nebbia opaca, impedendo ai fotoni di propagarsi. Con l'espansione dell'Universo, il cosmo si fece sempre più freddo e rarefatto, tanto che, 380 mila anni dopo il Big Bang, elettroni e protoni si unirono a formare i primi atomi di idrogeno - la prima materia elettricamente neutra a popolare l'Universo. In seguito a questo evento, noto come ricombinazione, il cosmo diventò trasparente: i fotoni furono finalmente in grado di propagarsi nell'Universo. La materia e la radiazione, per la prima volta, erano due entità distinte.

Ancora oggi, possiamo osservare l'eco di questa prima luce: la radiazione cosmica di fondo, o CMB. La sua distribuzione lungo la volta celeste rivela minuscole fluttuazioni che possono essere usate per ricostruire l'evoluzione, la composizione e la geometria dell'Universo.

Dobbiamo aspettare ancora un po' - qualche centinaia di milioni di anni - per assistere alla comparsa della prima generazione di stelle che illuminarono l'Universo. Le radiazioni di questi astri spezzarono gli atomi, e l'Universo tornò ad essere un mare di ioni - una fase nota come reionizzazione. Nel frattempo, però, il cosmo si era espanso a tal punto che le interazioni tra i fotoni e gli elettroni risultavano molto più rare che in passato: l'Universo, dunque, avrebbe continuato ad essere trasparente.

Recenti osservazioni dei buchi neri supermassicci nascosti nei cuori di alcune delle galassie più lontane hanno rivelato che quest'epoca di reionizzazione è terminata quando l'Universo aveva circa 900 milioni di anni. Meno chiara è, invece, la sua data di inizio. La chiave per determinare quando l'era di ionizzazione incominciò potrebbe essere da ricercarsi nella radiazione cosmica di fondo.

"La radiazione cosmica di fondo può dirci quando l'epoca di reionizzazione iniziò e, di conseguenza, quando si formarono le prime stelle nell'Universo," spiega Jan Tauber dell'ESA. Queste misurazioni si basano sul fatto che la radiazione cosmica di fondo risulta polarizzata. La radiazione elettromagnetica, che comprende quella che comunemente chiamiamo "luce", è formata da campi magnetici e campi elettrici che oscillano in direzioni tra loro perpendicolari. Il piano che contiene il campo elettrico e il vettore dell'onda (ovvero la direzione di propagazione) è detto piano di vibrazione. Solitamente, il piano di vibrazione varia in maniera casuale; quando invece è caratterizzato da una direzione preferenziale, si parla di polarizzazione della radiazione. La polarizzazione della radiazione cosmica di fondo è dovuta alle antiche interazioni tra i fotoni e gli elettroni.

"Nelle minuscole fluttuazioni nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo possiamo vedere l'influenza dei processi di reionizzazione e dedurre quando ebbero inizio," aggiunge Tauber.

Una prima stima della data di inizio della reionizzazione risale al 2003, quando la sonda americana WMAP suggerì che il processo ebbe inizio poche centinaia di milioni di anni dopo la formazione dell'Universo. Subito, gli scienziati individuarono un apparente paradosso nelle misurazioni di WMAP: era improbabile che le prime stelle si fossero formate già così presto. Per fortuna, poco dopo WMAP corresse le sue stime, indicando che i primi processi di reionizzazione non erano ancora avvenuti quando l'Universo aveva 450 milioni di anni. Il paradosso, seppur smorzato, rimaneva: sebbene altre misurazioni indicassero che le prime stelle si formarono 300-400 milioni di anni dopo il Big Bang, non era chiaro qualora potessero aver scatenato la reionizzazione da sole.

Nel 2015, con la pubblicazione delle prime mappe della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo realizzate dal satellite Planck, gli astronomi poterono rimandare ulteriormente l'inizio della reionizzazione. I dati di Planck indicavano che il processo era più o meno a metà strada quando l'Universo aveva 550 milioni di anni.

Ora, nuove analisi dei dati raccolti da Planck spostano la data di inizio della reionizzazione ancora più tardi.

"Le straordinarie misurazioni dello strumento ad alta frequenza HFI mostrano in maniera inequivocabile che la reionizzazione è stata un processo molto veloce, essendo iniziata molto tardi e avendo reionizzato metà dell'Universo già 700 milioni di anni dopo il Big Bang," spiega Jean-Loup Puget dell'Institut d'Astrophysique Spatiale. "Questi risultati ci aiuteranno a modellare l'inizio della fase di reionizzazione."

"Abbiamo inoltre confermato che, per ionizzare l'Universo, non c'è bisogno di altri agenti, oltre alle prime stelle," spiega Matthieu Tristram del Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire.
"Grazie a nuove misurazioni di Planck, siamo fiduciosi che la reionizzazione sia accaduta più tardi di quanto indicato da misurazioni meno precise eseguite in passato," aggiugne Charles Lawrence del JPL. "È un risultato emozionante per gli scienziati, poiché le stelle che già conosciamo rientrano in quest'ordine degli eventi."
I risultati indicano che la prima generazione di stelle si formò molto più tardi del previsto - abbastanza tardi, forse, da poter essere alla portata di alcuni dei telescopi attualmente in costruzione, come il James Webb.