Quando sono nate le prime stelle nell’universo?

SCOPERTE – C’è stato un tempo buio per l’universo subito dopo il Big Bang, avvenuto circa 13,8 miliardi di anni fa. Poi le prime stelle hanno fatto la loro comparsa nel cosmo e hanno iniziato a rischiararlo, fino a renderlo “trasparente”. Se fino a poco tempo fa gli scienziati ritenevano che le prime stelle fossero nate tra i 300 e i 400 milioni di anni dopo il Big Bang, i nuovi dati della collaborazione Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, ESA, dimostrano invece che la nascita è avvenuta con un ritardo di quasi 500 milioni di anni rispetto a quanto finora ipotizzato, e cioè quando l’universo aveva circa 700 milioni di anni.

Se pensiamo all’universo oggi, risulterà difficile immaginarlo a pochi secondi dalla sua nascita: il cosmo era una calda e densa zuppa primordiale di particelle, soprattutto elettroni, protoni e fotoni. In un ambiente così denso l’universo appariva come un banco di nebbia opaco, dato che le particelle di luce non potevano viaggiare a distanze significative senza collidere con gli elettroni.

Via via che il cosmo ha iniziato a espandersi, l’universo è cresciuto e si è raffreddato e rarefatto, fino a circa 380 mila anni dopo il Big Bang, quando è diventato “trasparente”. Da quel momento le collisioni sono diventate estremamente sporadiche e i fotoni hanno iniziato a viaggiare liberamente. Esistono nel cosmo dei “fossili” della luce, si tratta della radiazione cosmica di fondo (CMBR, cosmic microwave background radiation) che è stata osservata e studiata dai satelliti Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, prima e dal satellite Planck poi. La distribuzione di CMB nel cielo rivela delle piccole fluttuazioni che contengono una gran ricchezza di informazioni sulla storia, la composizione e la geometria dell’universo.

Questi fossili della luce sono stati rilasciati quando gli elettroni e i protoni hanno iniziato a combinarsi, formando i primi atomi di idrogeno e portando il cosmo a uno stato elettricamente neutro. Da allora sono trascorsi qualche centinaio di milioni di anni prima che gli atomi si unissero, dando vita alla prima generazione di stelle.

Proprio la nascita delle stelle ha iniziato a rischiarare lo spazio e così è iniziata l’epoca della reionizzazione, in cui gli atomi sono stati divisi nuovamente nelle loro particelle costituenti. Non c’è voluto molto prima che la materia nell’universo venisse completamente ionizzata e, a eccezione di alcuni luoghi isolati, è stato sempre così da allora. L’osservazione di galassie molto distanti che ospitano buchi neri supermassivi indicano che l’universo è stato completamente reionizzato al tempo in cui aveva circa 900 milioni di anni. L’inizio di questo processo è molto più difficile da determinare e negli ultimi anni è stato un argomento di dibattito decisamente caldo: una risposta può arrivare proprio dallo studio della CMB, come ha spiegato Jan Tauber, scienziato ESA del progetto Planck.

La radiazione cosmica di fondo è in parte polarizzata, ovvero una parte della luce vibra in una direzione preferita: qualcosa che deve essere successo molto frequentemente nella zuppa primordiale prima che la CMBR fosse rilasciata e ancora dopo, durante la reionizzazione, quando la luce dalle prime stelle ha liberato gli elettroni nel palcoscenico cosmico. Tauber ha spiegato che “È in queste piccole fluttuazioni della CMBR polarizzata che possiamo vedere l’influenza del processo di reionizzazione e dedurre quando è cominciato”.

Nel 2003 gli scienziati della collaborazione WMAP hanno fissato una prima stima dell’inizio della reionizzazione a circa 200 milioni di anni dalla nascita del cosmo. Però non risolveva un problema, perché non ci sono prove che le stelle abbiano iniziato a formarsi in quel periodo, ed era necessario ipotizzare che vi fossero delle sorgenti esotiche che abbiano dato il via alla reionizzazione. Una seconda analisi dei dati di WMAP ha poi spostato l’inizio di una reionizzazione significativa del cosmo a un’età di 450 milioni di anni, mentre la nascita delle prime stelle era stata fissata tra i 300 e i 400 milioni di anni. Una correzione che di fatto ha semplificato il puzzle, ma non lo ha risolto.

Questo fino al 2015, quando la Collaborazione Planck ha rilasciato la prima mappa completa del cielo della polarizzazione della CMBR. I dati raccolti da Planck hanno permesso anche di stimare che l’epoca di reionizzazione era iniziata più tardi di quanto ipotizzato, quando l’universo aveva circa 550 milioni di anni. Non solo, i dati hanno anche evidenziato che la nascita delle prime stelle è avvenuta 700 milioni di anni dopo il Big Bang, come spiega Jean-Loup Puget, scienziato dell’Institut d’Astrophysique Spatiale di Orsay, in Francia. “Lo strumento High-Frequency Instrument (HFI) di Planck, con la sua alta sensibilità, ha dimostrato che la reionizzazione è stato un processo molto rapido, iniziato piuttosto tardi nella storia del cosmo e che ha per metà reionizzato l’universo quando aveva 700 milioni di anni”.

Un risultato che non solo aiuta a capire come la reionizzazione abbia avuto inizio, ma che conferma anche che non sono stati necessari né altre sorgenti esotiche né altri agenti, oltre le prime stelle, per dare il via al processo. Una conclusione che così sposta in avanti anche la formazione delle prime stelle nella storia dell’universo e che rappresenta un’occasione per gli scienziati di rimettere insieme i tasselli di questo puzzle. Sapere che le stelle sono nate più tardi permette anche di cercare e osservare con più facilità la prima generazione di galassie, che è così alla portata dei telescopi degli scienziati, soprattutto quelli prossima generazione come il James Webb Space Telescope, che sarà lanciato nel 2018.

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