Cosa ha creato più luce, il Big Bang o le stelle?

L’Universo ha creato stelle per quasi tutti i 13,8 miliardi di anni della sua storia. Ma quei fotoni non possono eguagliare la luce del Big Bang.

Sono passati 13,8 miliardi di anni dal Big Bang e il nostro intero cosmo si è evoluto in modo piuttosto significativo in questo lasso di tempo. Al momento, la nostra visione cosmica si estende per circa 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni. Gli scienziati hanno stimato che esistano tra 6 e 20 trilioni di galassie. Tra le tipiche galassie di grandi dimensioni, vi è una media di centinaia di miliardi di stelle contenute al loro interno. Sebbene la maggior parte delle galassie siano piccole e di bassa massa, questo si traduce comunque in un totale di 2 × 10 ²¹ stelle.

Al loro interno, ogni stella è composta da circa 10 ⁵⁷ atomi in media. Possiamo ricostruire l’intera storia della formazione stellare dell’Universo tramite una varietà di metodi, tra cui l’esame delle stelle e delle galassie trovate in tutte le diverse epoche della storia cosmica. Un’importante prova che conferma queste stime proviene dal telescopio a raggi gamma Fermi, che nel 2018 ha misurato per la prima volta la storia della formazione stellare dell’intero Universo durante tutto il tempo cosmico. Non solo, questo tipo di misurazione ci consente anche di rispondere a un’altra domanda: cosa ha prodotto più luce, il Big Bang o la quantità cumulativa di stelle formatesi nel corso della storia cosmica? La risposta è il Big Bang, ecco come facciamo a saperlo.

Cosa succede quando si formano le stelle

Quando si formano le stelle, si verificano in sequenza diversi processi importanti.

• Una nube molecolare di materia prima, principalmente idrogeno, collasserà sotto la sua stessa gravità.
• Durante il collasso, la nube si frammenta, dando origine in breve tempo a sistemi stellari e ammassi di stelle; la nascita delle stelle coincide ufficialmente con l’accensione della fusione nucleare nei nuclei di quelle stelle.
• Quindi, con così tanta radiazione ad alta energia (cioè ultravioletta) che fuoriesce da queste stelle neonate, le molecole rimaste nella nube circostante vengono ionizzate da quella radiazione energetica, strappando gli elettroni dai loro atomi.
• Una volta che il mezzo circumstellare circostante viene ionizzato, inizia ad apparire un tipo speciale di radiazione: le linee di emissione, poiché la radiazione viene emessa quando gli elettroni ricadono sui nuclei atomici ionizzati e scendono a cascata lungo i vari livelli energetici.
• Questa luce stellare viaggia poi attraverso l’Universo, dove interagisce con tutti gli atomi che incontra, lasciando ulteriori impronte di assorbimento impresse su quella luce.
• Infine, la luce delle stelle ha una probabilità finita, diversa da zero, di interagire con i raggi gamma, che sono i fotoni con la più alta energia, per produrre una specie specifica di nuove particelle: le coppie elettrone-positrone.

L’importanza dei blazar

Ogni volta che guardi qualcosa nell’Universo, devi riconoscere che esistono nubi di gas che assorbono una frazione della luce; possiamo tenerne conto esaminando le linee di assorbimento. Ci sono anche galassie e ammassi di galassie che spesso si frappongono tra noi e ciò che stiamo osservando. Possiamo misurarne la luminosità, la densità e altre proprietà per calibrare ogni singolo blazar (tra i fenomeni più violenti dell’Universo, associati ai buchi neri) che esaminiamo. I blazar si trovano in tutto il cielo e ogni singolo blazar, alla fonte, avrà proprietà di energia e flusso che sono uniche.

Facendo la corretta contabilità di ciò che esiste nell’Universo — alla fonte, lungo la linea di vista e proprio nel punto in cui abbiamo ricevuto la luce alla fine — possiamo determinare le proprietà della fonte del blazar che stiamo esaminando. C’è un bel po’ di lavoro dietro, ma alla fine ne vale la pena: avremo un punto di partenza da cui partire.

Misurare tutta la luce dell’Universo

C’è un metodo per misurare tutta la luce delle stelle nell’Universo.

• Per prima cosa, iniziamo misurando e identificando tutti i blazar, in tutto l’Universo, ovunque si trovino.
• Misuriamo quindi lo spostamento verso il rosso di ciascun blazar, che può essere determinato misurando almeno una linea di assorbimento o di emissione al suo interno, in modo da avere un buon indicatore della distanza a cui si trova.
• Una volta ottenute queste informazioni, è qui che entrano in gioco i raggi gamma: si misura il numero di raggi gamma ricevuti dal telescopio a raggi gamma che stiamo usando (come il Fermi, appunto) di due proprietà specifiche di ciascun blazar, lo spostamento verso il rosso del blazar e la sua luminosità.
• Ricordate che i raggi gamma, quando entrano in collisione con la quantità cumulativa di luce stellare extragalattica di fondo, hanno una certa probabilità (dipendente dalla luce stellare) di produrre coppie elettrone-positrone.
• E poi, infine, invece di cercare quel caratteristico segnale energetico dell’annientamento elettrone-positrone, quel segnale da 511 keV (spostato verso il rosso rispetto all’espansione dell’Universo nel momento in cui Fermi lo vede), si usa invece il deficit di raggi gamma dalla sorgente (perché i raggi gamma vengono convertiti in coppie elettrone-positrone) per calcolare quanta luce stellare di fondo deve essere presente, in funzione dello spostamento verso il rosso/distanza, per giustificare la perdita di raggi gamma.

Come abbiamo capito che il Big Bang ha creato più luce

Questa era una cosa che, fino a poco tempo fa, non saremmo stati in grado di fare. Ma con l’avvento del satellite Fermi della NASA, e in particolare della collaborazione Fermi-LAT (lo strumento Large Area Telescope a bordo di Fermi), siamo stati in grado di effettuare queste misurazioni per la prima volta, per tutti i blazar noti che appaiono nel cielo dei raggi gamma: tutti e 739. Ebbene, vi risparmiamo ulteriori calcoli per dirvi che queste misurazioni hanno confermato che l’Universo ha avuto il suo picco di formazione stellare quando aveva circa 3 miliardi di anni e da allora il tasso di formazione stellare è in calo. Oggi, si attesta solo al 3% di quel tasso iniziale massimo e il tasso con cui si stanno formando nuove stelle nell’Universo continua a diminuire nel tempo.

La quantità totale di luce stellare creata dall’inizio del Big Bang corrisponde a un totale di circa 4 × 10⁸⁴ fotoni, che è un numero incredibilmente grande. Ma come si confronta questo numero con tutti i fotoni presenti nell’Universo come parte della radiazione residua del Big Bang? La risposta arriva direttamente dalla misurazione della radiazione cosmica di fondo, il bagliore residuo del Big Bang. Mettendo insieme tutte queste informazioni, si scopre che il numero totale di fotoni rimasti dal Big Bang, nel nostro Universo osservabile oggi, è di circa 10 ⁸⁹ -10 ⁹⁰: centinaia di migliaia di volte più fotoni di quanti ne siano mai stati creati dalle stelle!

Per saperne di più:

• Leggi l’articolo “What created more light: the Big Bang or stars?” su Big Think.