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Come le prime stelle hanno diviso l’universo

La luce all’inizio non durò.

Tutto è iniziato così caldo. Radiazione pura all’inizio: attratta da un impulso primordiale ora perso nell’oscurità dello spaziotempo disteso, nascosto dietro il muro di fuoco che bruciava attraverso ogni femtometro di un cosmo incipiente. Non c’era una fonte di luce, nessun punto di accensione da cui diffondersi; era tutto, ovunque, e cresceva ovunque. Il cosmo si è gonfiato, lo spazio si è svuotato, spargendo luce sulla faccia della creazione fino a quando non si sono formate le goccioline: la materia è nata calda e urlante.

Le prime particelle correvano in onde attraverso plasma bruciante, oscillazioni acustiche che si diffondevano e si scontravano. L’universo era un mare di ioni – protoni ed elettroni spaiati, con una spruzzata di elio e altri nuclei di luce – nati a caldo nucleare dall’altoforno onnicomprensivo. L’universo esalava fuoco che lentamente si trasformava in cenere atomica. I protoni carichi positivamente e gli elettroni negativi vorticavano insieme per formare atomi neutri – i primi nell’universo – principalmente idrogeno, niente più plasma, niente più ioni ma gas. Il gas si è raffreddato. È diventato tranquillo. L’universo è rimasto inattivo per 100 milioni di anni.

Chiamiamo la fase successiva il Medioevo. (Noi astronomi siamo una specie letterale.) La luce del Big Bang sbiadiva e si allungava verso lo spettro radio; Le prime stelle dovevano ancora accendersi. Per eoni il cosmo è stato riempito da una nebulosa di idrogeno oscura che si è espansa mentre l’universo si espandeva e il suo calore residuo svaniva.

E ancora…

La nebbia sentiva il suo stesso peso. Quando le furiose onde di plasma si raffreddarono, lasciarono le loro creste, impresse come minuscole imperfezioni nel gas. Ecco qualche altro atomo; una collezione leggermente più sottile lì. La massa di un atomo è minuscola, ma dagli tempo e troverà i suoi vicini.

La nebbia più densa formava nuvole; le nuvole più dense formavano nodi. I nodi sono diventati più pesanti, attirando il gas in orbita attorno a loro, ruotando e scontrandosi con una forza tale che il gas è stato compresso in accensione. Lo stesso gas che era rimasto inattivo per secoli incalcolabili è stato trasformato di nuovo in una fornace nucleare ardente al centro della nuvola più densa. Nacque la prima stella: Cosmic Dawn.

Più così

Nella fitta nebbia del cosmo, le stelle hanno preso vita: minuscoli punti di luce accecante, che brillavano nell’oscurità. Si radunarono dove si erano radunati i gruppi più grandi: era iniziata l’era delle galassie.

Ogni galassia è nata in una pozza poco profonda della propria luce, invisibile dalle nubi scure e dense che la formavano, come la luce di una città soffocata dalla nebbia. I capricci della fisica atomica rendono l’idrogeno un efficace scudo stellare: dai a un atomo di idrogeno un fotone di luce visibile e lo consumerà interamente e farà salire il suo elettrone a uno stato energetico superiore, solo per poi espellere la luce in una direzione casuale.

Ma questo scudo è una cosa autolimitante. La luce delle prime galassie trasportava anche radiazioni più forti: luce ultravioletta così energica che un atomo di idrogeno negligente non poteva eccitare il suo elettrone ma lo spazzava via completamente. Bolle di luce galattica che strappavano idrogeno iniziarono a crescere, scavando buchi nella massa fredda e immobile di gas intergalattico. Per oltre un miliardo di anni, le bolle hanno riempito il cosmo e quasi ogni atomo di idrogeno è stato squarciato in due, permettendo a protoni ed elettroni di vagare di nuovo separatamente per l’universo, non fuoco questa volta, ma un vapore diffuso e dissipante di gas reionizzato.

Stiamo ancora imparando la storia di come le prime stelle divisero l’universo. La chiamiamo “reionizzazione” e la nostra conoscenza di essa deriva principalmente dalla sua fine. Un cosmo ionizzato è trasparente alla luce visibile; Mentre osserviamo attraverso l’Universo le galassie la cui luce antica ci arriva da più indietro nel tempo, possiamo iniziare a vedere l’estinzione di quella luce, come se stessimo guardando il film cosmico al contrario: il denso gas neutro che si espande e avvolge le galassie fino a renderle quasi completamente invisibili.

Tuttavia, siamo fortunati ad avere modi per penetrare nella nebbia. La luce visibile può essere consumata, ma la radiazione a lunghezza d’onda più lunga (infrarossi, microonde e radio) è libera di propagarsi e la luce stellare è a spettro completo. Con nuovi telescopi come il James Webb Space Telescope, possiamo scrutare l’epoca della reionizzazione catturando la porzione infrarossa della luce dalle galassie. Con i nuovi radiotelescopi, possiamo fare ancora meglio sintonizzandoci sulle basse frequenze della luce radio emessa o assorbita dall’idrogeno neutro stesso.

Per comprendere la reionizzazione, bisogna conoscere le prime stelle e galassie. Forse un giorno vedremo mentre si ritagliano i propri involucri del parto, minuscole scintille che si diffondono in un mare di oscurità per cambiarlo fondamentalmente e per sempre.

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