SCIENZA E RICERCA

Contare le stelle con i raggi gamma

Una luce diffusa chiamata luce di fondo extragalattica permea l’universo. Questa radiazione è molto preziosa per i cosmologi, poiché in essa è codificata la storia della formazione delle stelle dalla nascita dei primi astri, centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, fino ai giorni nostri. L'osservazione di questa luce e del suo sviluppo durante l’evoluzione dell'universo dà accesso a preziose informazioni sulla formazione e l'evoluzione delle strutture cosmiche come galassie e ammassi di galassie, e può fornire risposte a domande fondamentali quali: “Quando si formarono le prime stelle? Come avvenne la loro evoluzione?”.

Misurazioni dirette di questa luce diffusa sono molto difficili da ottenere a causa delle forti interferenze dovute alle emissioni dal Sistema Solare e dalla Via Lattea che disturbano questo segnale. Una tecnica alternativa si basa sull'osservazione dei raggi gamma da potenti acceleratori extragalattici quali le galassie attive, galassie al cui centro risiede un enorme buco nero da cui paiono emergere due getti di particelle che raggiungono velocità prossime a quelle della luce ed emettono una radiazione molto intensa che copre l’intero spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.

Con un articolo su Science pubblicato il 30 novembre scorso, la collaborazione Fermi ha presentato nuovi, entusiasmanti risultati ottenuti con questo approccio alternativo. Fermi è un satellite per raggi gamma in orbita attorno alla Terra da dieci anni. Nell’articolo in questione, il team di Fermi presenta per la prima volta una stima della storia della formazione stellare, ovvero il tasso di nascita stellare in funzione dell'età dell'universo. Da queste misure il team ha dedotto importanti informazioni, quali l’epoca di maggior formazione stellare e il massimo numero delle galassie in un’epoca in cui l'universo aveva meno di 1,5 miliardi di anni, dando importanti indizi sul ruolo di queste galassie nell’evoluzione dell’Universo.

L'approccio utilizzato solitamente per stimare la storia della formazione stellare si basa sul conteggio diretto di galassie. Il team di Fermi invece ha determinato il tasso di formazione stellare con i raggi gamma, sebbene le stelle non emettono nemmeno questa radiazione energetica. Per operare la stima, i ricercatori hanno approfittato dell'interazione dei raggi gamma emessi principalmente da galassie attive con la luce emessa dalle stelle, che formano la luce extragalattica di fondo; sono stati così in grado di fornire una misura “indiretta” complementare alla misura standard.

Oltre alla fondamentale importanza, in cosmologia, di fornire misure diverse della stessa quantità, in questo caso il fatto che il tasso di formazione stellare dedotto sia coerente con stime indipendenti fatte con i telescopi che osservano luce ultravioletta e ottica conferma che stiamo effettivamente vedendo tutte le stelle che popolano l’universo recente.

In futuro il Cherenkov Telescope Array (CTA), un osservatorio mondiale in fase di pre-costruzione che vede anche una partecipazione dell’ateneo patavino, osserverà il cielo gamma ad alta energia proveniente dalla Terra. Con un analogo approccio a quello proposto dal team Fermi, CTA avrà la possibilità di misurare non solo la parte della radiazione ottica e ultravioletta della luce di fondo extragalattica, ma anche la parte infrarossa che completa la misurazione di Fermi.

Le potenzialità dell'eccellente set di dati raccolti dalla collaborazione Fermi non sono ancora state pienamente sfruttate. Alcuni ricercatori stanno già lavorando ad una determinazione indipendente di altri parametri cosmologici estremamente importanti, come la costante di Hubble e il contenuto della materia dell'Universo, che include la materia oscura.

Inoltre, le misure di emissione di raggi gamma possono essere utilizzate per cercare evidenze di fisica “oltre il modello standard”, un campo di ricerca molto affascinante che si affianca alle ricerche effettuate presso gli acceleratori di particelle come il CERN di Ginevra nello studio delle leggi fondamentali che regolano l’universo.

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