Constraints on the Thomson optical depth to the CMB from the Lyman-$\alpha$ forest

Per comprendere la storia dell'universo, gli astronomi guardano spesso indietro a un tempo in cui il cosmo era un luogo buio e nebbioso, pieno di gas idrogeno neutro. Per centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, questo gas ha bloccato la luce, rendendo l'universo opaco. Poi, è avvenuta una trasformazione: le prime stelle e galassie si sono accese, emettendo un'intensa radiazione ultravioletta che ha strappato gli elettroni dagli atomi di idrogeno, trasformando la nebbia in un plasma trasparente. Questa era è nota come Epoca della Reionizzazione. Sebbene non possiamo vedere questo periodo direttamente con i nostri occhi, possiamo misurarne l'eredità studiando quanto la luce di oggetti distanti sia stata dispersa dagli elettroni liberi. Questo scattering crea una specifica "profondità ottica", una misura di quanto fosse densa la nebbia durante quella transizione. Determinare il valore esatto di questa profondità è crucialo perché aiuta gli scienziati a testare il modello standard della cosmologia. Recentemente, nuovi dati provenienti da rilevamenti di galassie hanno suggerito un universo che potrebbe espandersi più velocemente o contenere meno materia di quanto precedentemente pensato, ma questi indizi dipendono fortemente dalle assunzioni su quanto fosse densa la nebbia cosmica. Se la nebbia fosse stata più densa di quanto pensiamo, ciò potrebbe cambiare la nostra comprensione dell'energia oscura e delle leggi fondamentali della fisica.

Un team di ricercatori ha adottato ora un nuovo approio per misurare questa nebbia cosmica, bypassando i metodi tradizionali che si affidano alla luce più antica dell'universo. Invece di guardare al Fondo Cosmico a Microonde, il debole bagliore residuo del Big Bang, hanno rivolto la loro attenzione alla foresta di Lyman-alpha. Questo fenomeno appare quando osserviamo la luce di quasar molto distanti, che sono i nuclei brillanti di galassie attive. Mentre questa luce viaggia attraverso miliardi di anni luce per raggiungerci, attraversa vastissime nubi di gas idrogeno. Il gas assorbe colori specifici della luce, lasciando una serie di linee scure nello spettro che sembrano una foresta. La densità e la temperatura di queste nubi di gas lasciano un'impronta digitale distinta sulla luce. I ricercatori si sono resi conto che la temperatura di questo gas è intimamente legata a come l'universo sia stato reionizzato. Quando le prime stelle si sono accese, non si sono limitate a ionizzare il gas; lo hanno anche riscaldato. Questo riscaldamento ha cambiato la pressione del gas, che a sua volta ha livellato i grovigli più piccoli di materia. Studiando i pattern nella foresta di Lyman-alpha, il team è riuscito a tracciare la storia termica del gas e, da ciò, dedurre quanta dispersione elettronica sia avvenuta durante la reionizzazione.

Il team ha utilizzato osservazioni ad alta risoluzione di quasar per mappare la temperatura e la densità del gas in un momento specifico della storia cosmica, circa quando l'universo aveva un miliardo di anni. Hanno combinato queste misurazioni reali con sofisticate simulazioni al computer che modellavano il comportamento di idrogeno ed elio sotto diversi scenari di reionizzazione. Hanno testato due tipi principali di modelli: uno in cui la fine dell'era della reionizzazione era fissata in base a ciò che già sappiamo dalla foresta di Lyman-alpha, e un altro in cui la durata dell'era era fissata, un'assunzione comune in altri studi. Risolvendo le equazioni che governano il modo in cui il gas si riscalda e si ionizza, hanno creato un collegamento diretto tra la temperatura del gas osservato e la quantità totale di scattering elettronico che deve essersi verificata durante la reionizzazione. Ciò ha permesso loro di calcolare la profondità ottica senza dover fare affidamento sui dati del Fondo Cosmico a Microonde, che è stato lo standard per decenni.

I loro risultati suggeriscono che l'universo abbia attraversato un processo di reionizzazione relativamente rapido e tardivo. Hanno calcolato la profondità ottica a circa 0,040, con un piccolo intervallo di incertezza. Questo valore è significativamente inferiore ai numeri più alti, intorno a 0,09, che alcuni studi recenti hanno proposto per risolvere le tensioni tra diversi set di dati cosmologici. I ricercatori hanno scoperto che se l'universo fosse stato reionizzato in un modo tale da produrre una profondità ottica così elevata, il gas sarebbe stato troppo caldo e le strutture su piccola scala della foresta di Lyman-alpha sarebbero state livellate più di quanto osserviamo effettivamente. In altre parole, l'evidenza fisica dalle nubi di gas esclude l'idea che la nebbia cosmica fosse densa quanto alcune teorie richiedono per correggere le discrepanze nei dati sulla distribuzione delle galassie. Lo studio indica che il modello standard, che assume una profondità ottica inferiore, rimane coerente con lo stato termico del gas intergalattico.

Guardando al futuro, il team ha simulato cosa sarebbe successo se avessero avuto accesso a un campione molto più ampio di quasar, simile a quello che i futi telescopi come l'indagine Gemini High Resolution Optical Spectrograph forniranno. Hanno scoperto che con più dati, i loro vincoli sarebbero ancora più stretti, potenzialmente escludendo i valori di profondità ottica più elevati con maggiore certezza. Questo lavoro dimostra che la foresta di Lyman-alpha è uno strumento potente e indipendente per comprendere la storia dell'universo. Offre un modo per verificare le condizioni del primo cosmo usando il gas stesso, piuttosto che affidarsi esclusivamente al bagliore residuo del Big Bang. I risultati rafforzano l'immagine di un universo in cui la transizione dall'oscurità alla luce è avvenuta rapidamente e si è conclusa relativamente tardi, fornendo una base più chiara e coerente per la nostra comprensione dell'evoluzione cosmica.