Mappare l’universo con misteriose esplosioni di segnali radio

Gli astronomi non sanno ancora cosa provochi i fast radio burst, ma stanno iniziando a usarli per illuminare lo spazio tra le galassie.

Quando il nostro universo aveva meno della metà dell’età attuale, un’esplosione di energia in grado di cuocere un sole di popcorn si sprigionò da qualche parte in mezzo a un gruppo compatto di galassie. Circa 8 miliardi di anni dopo, le onde radio di quell’esplosione hanno raggiunto la Terra e sono state catturate da un sofisticato radiotelescopio a bassa frequenza nell’entroterra australiano.

Il segnale, arrivato il 10 giugno 2022 e durato meno di mezzo millisecondo, fa parte di una crescente classe di misteriosi segnali radio chiamati fast radio burst. Negli ultimi 10 anni, gli astronomi ne hanno captati quasi 5.000. Questo era particolarmente speciale: aveva un’età quasi doppia rispetto a tutti quelli osservati in precedenza e un’energia tre volte e mezzo superiore.

Ma, come gli altri che l’hanno preceduto, è rimasto un mistero. Nessuno sa cosa provochi i fast radio burst. I lampi si susseguono in modo apparentemente casuale e imprevedibile da ogni parte del cielo. Alcuni appaiono dall’interno della nostra galassia, altri da profondità dell’universo finora inesplorate. Alcuni si ripetono ciclicamente per giorni e poi scompaiono improvvisamente; altri si ripetono costantemente per alcuni giorni da quando li abbiamo identificati per la prima volta. La maggior parte non si ripete affatto.

Nonostante il mistero, queste onde radio iniziano a rivelarsi straordinariamente utili. Quando i nostri telescopi le rilevano, sono già passate attraverso nubi di plasma caldo e increspato, attraverso gas così diffusi che le particelle si toccano appena e attraverso la nostra Via Lattea. E ogni volta che colpiscono gli elettroni liberi che fluttuano in tutto quel materiale, le onde si spostano un po’. Quelle che raggiungono i nostri telescopi portano con sé l’impronta di tutta la materia ordinaria che hanno incontrato tra il luogo da cui provengono e quello in cui ci troviamo.

Ciò rende i fast radio burst, o FRB, strumenti inestimabili per le scoperte scientifiche, soprattutto per gli astronomi interessati al gas molto diffuso e alla polvere che fluttua tra le galassie, di cui sappiamo molto poco.

“Non sappiamo cosa siano e non sappiamo quali siano le cause. Ma non importa. Questo è lo strumento che avremmo costruito e sviluppato se avessimo avuto la possibilità di giocare a fare Dio e creare l’universo”, afferma Stuart Ryder, astronomo presso la Macquarie University di Sydney e autore principale dell’articolo di Science che riporta l’esplosione da record.

Molti astronomi sono ora convinti che trovare altri FRB così distanti consentirà loro di creare la mappa cosmologica tridimensionale più dettagliata mai realizzata, che Ryder paragona a una TAC dell’universo. Anche solo cinque anni fa realizzare una mappa del genere poteva sembrare una sfida tecnica intrattabile: individuare un FRB e poi registrare dati sufficienti per determinarne la provenienza è straordinariamente difficile, perché la maggior parte del lavoro deve essere svolto nei pochi millisecondi che precedono il passaggio del burst.

Ma questa sfida sta per essere eliminata. Entro la fine di questo decennio, una nuova generazione di radiotelescopi e di tecnologie correlate, in fase di attivazione in Australia, Canada, Cile, California e altrove, dovrebbe trasformare lo sforzo di trovare gli FRB e aiutare a capire cosa possono dirci. Quello che una volta era una serie di scoperte fortuite diventerà qualcosa di quasi di routine. Non solo gli astronomi saranno in grado di costruire una nuova mappa dell’universo, ma avranno la possibilità di migliorare notevolmente la nostra comprensione di come nascono le galassie e di come cambiano nel tempo.

Dov’è il problema?

Nel 1998, gli astronomi hanno contato il peso di tutta la materia identificata nell’universo e hanno ottenuto un risultato sconcertante.

Sappiamo che circa il 5% del peso totale dell’universo è costituito da barioni come protoni e neutroni, le particelle che compongono gli atomi, ovvero tutta la “roba” dell’universo. (Il restante 95% comprende l’energia oscura e la materia oscura). Ma gli astronomi sono riusciti a localizzare solo il 2,5% circa, non il 5%, del totale dell’universo. “Hanno contato le stelle, i buchi neri, le nane bianche, gli oggetti esotici, il gas atomico, il gas molecolare nelle galassie, il plasma caldo, ecc. Hanno sommato tutto e si sono ritrovati con una differenza di almeno un fattore due rispetto a quello che avrebbero dovuto essere”, dice Xavier Prochaska, astrofisico dell’Università della California, Santa Cruz, ed esperto nell’analisi della luce dell’universo primordiale. “È imbarazzante. Non stiamo osservando attivamente la metà della materia dell’universo”.

Tutti quei barioni mancanti costituivano un serio problema per le simulazioni di come si formano le galassie, di come è strutturato il nostro universo e di cosa succede quando continua a espandersi.

Gli astronomi hanno iniziato a ipotizzare che la materia mancante esista in nubi estremamente diffuse di quello che è noto come mezzo intergalattico caldo-caldo, o WHIM. In teoria, il WHIM dovrebbe contenere tutta la materia non osservata. Dopo la pubblicazione dell’articolo del 1998, Prochaska si impegnò a trovarla.

Ma quasi 10 anni della sua vita e circa 50 milioni di dollari di denaro dei contribuenti dopo, la caccia stava andando molto male.

La ricerca si era concentrata soprattutto sull’analisi della luce dei nuclei galattici distanti e sullo studio delle emissioni di raggi X dai filamenti di gas che collegano le galassie. La svolta è arrivata nel 2007, quando Prochaska era seduto su un divano in una sala riunioni dell’Università della California, a Santa Cruz, e stava esaminando nuovi documenti di ricerca con i suoi colleghi. Lì, tra le pile di ricerche, c’era il documento che riportava la scoperta del primo FRB.

Duncan Lorimer e David Narkevic, astronomi della West Virginia University, avevano scoperto la registrazione di un’onda radio energetica diversa da qualsiasi altra osservata in precedenza. L’onda è durata meno di cinque millisecondi e le sue linee spettrali erano molto sfumate e distorte, caratteristiche insolite per un impulso radio che era anche più luminoso e più energetico di altri fenomeni transitori conosciuti. I ricercatori hanno concluso che l’onda non poteva provenire dalla nostra galassia, il che significa che aveva percorso una distanza sconosciuta nell’universo.

Si trattava di un segnale che aveva attraversato lunghe distanze nello spazio, era stato modellato e influenzato dagli elettroni lungo il percorso e aveva un’energia sufficiente per essere chiaramente rilevabile nonostante tutte le cose che aveva attraversato. Non ci sono altri segnali che possiamo attualmente rilevare e che si verificano comunemente in tutto l’universo e che presentano questo esatto insieme di caratteristiche.

“L’ho visto e ho detto: ‘Porca vacca, ecco come possiamo risolvere il problema dei barioni mancanti'”, racconta Prochaska. Gli astronomi avevano usato una tecnica simile con la luce delle pulsar – stelle di neutroni rotanti che irradiano radiazioni dai loro poli – per contare gli elettroni nella Via Lattea. Ma le pulsar sono troppo poco luminose per illuminare una parte maggiore dell’universo. Gli FRB erano migliaia di volte più luminosi, offrendo un modo per utilizzare questa tecnica per studiare lo spazio ben oltre la nostra galassia.

Ma c’è un problema: perché un FRB possa essere un indicatore di ciò che si trova nello spazio apparentemente vuoto tra le galassie, i ricercatori devono sapere da dove proviene. Se non si sa quanto lontano ha viaggiato l’FRB, non si può fare una stima definitiva dell’aspetto dello spazio tra il punto di origine e la Terra.

Gli astronomi non erano nemmeno in grado di indicare la direzione da cui proveniva il primo FRB del 2007, tanto meno di calcolare la distanza percorsa. È stato rilevato da un enorme radiotelescopio a piatto singolo presso l’Osservatorio di Parkes (ora chiamato Murriyang) nel Nuovo Galles del Sud, che è in grado di captare le onde radio in arrivo, ma può individuare gli FRB solo in un’area del cielo grande quanto la luna piena della Terra. Per il decennio successivo, i telescopi hanno continuato a identificare gli FRB senza fornire un’origine precisa, rendendoli un mistero affascinante ma non utile dal punto di vista pratico.

Poi, nel 2015, una particolare onda radio ha lampeggiato e poi ha lampeggiato di nuovo. Nel corso di due mesi di osservazione dal telescopio di Arecibo a Porto Rico, le onde radio si sono ripetute, lampeggiando 10 volte. Si trattava del primo burst ripetuto di FRB mai osservato (un mistero a sé stante) e ora i ricercatori avevano la possibilità di determinare il punto in cui le onde radio erano iniziate, sfruttando l’opportunità di individuarne la posizione.

Nel 2017 è successo proprio questo. I ricercatori hanno ottenuto una posizione precisa per il fast radio burst utilizzando il telescopio NRAO Very Large Array nel New Mexico centrale. Armati di questa posizione, i ricercatori hanno poi utilizzato il telescopio ottico Gemini alle Hawaii per scattare una foto del luogo, rivelando la galassia da cui era partito l’FRB e la distanza percorsa. “A quel punto è diventato chiaro che almeno per alcuni di questi FRB avremmo ottenuto la distanza. A quel punto sono stato coinvolto e ho iniziato a scrivere proposte di telescopi”, racconta Prochaska.

Nello stesso anno, astronomi di tutto il mondo si riunirono ad Aspen, in Colorado, per discutere del potenziale di studio degli FRB. I ricercatori discutevano sulle cause. Stelle di neutroni? Magnetar, stelle di neutroni con campi magnetici così potenti da emettere raggi X e gamma? Galassie che si fondono? Alieni? Gli FRB ripetuti e quelli singoli hanno origini diverse, o potrebbe esserci qualche altra spiegazione del perché alcuni burst si ripetono e la maggior parte no? Aveva importanza, dal momento che tutti i burst potevano essere usati come sonde, indipendentemente dalla loro origine? Durante l’incontro di Aspen, Prochaska incontrò un gruppo di radioastronomi australiani, tra cui Keith Bannister, un esperto di telescopi coinvolto nei primi lavori di costruzione di un impianto precursore dello Square Kilometer Array, una collaborazione internazionale per la costruzione dei più grandi array di radiotelescopi del mondo.

La costruzione di questo telescopio precursore, chiamato ASKAP, era ancora in corso durante quella riunione. Ma Bannister, esperto di telescopi presso l’agenzia di ricerca scientifica del governo australiano, il CSIRO, riteneva che potesse essere requisito e adattato per localizzare e osservare simultaneamente gli FRB.

Bannister e gli altri esperti di onde radio affiliati all’ASKAP sapevano come manipolare i radiotelescopi per le esigenze uniche della caccia agli FRB; Prochaska era un esperto di tutto ciò che “non è radio”. Hanno deciso di lavorare insieme per identificare e localizzare gli FRB singoli (perché ce ne sono molti di più di quelli ripetuti) e poi usare i dati per risolvere il problema dei barioni mancanti.

E nel corso dei cinque anni successivi, è esattamente quello che hanno fatto, con un successo sorprendente.

Costruire una pipeline

Per individuare un burst nel cielo, è necessario un telescopio con due caratteristiche tradizionalmente in contrasto nella radioastronomia: un campo visivo molto ampio e un’alta risoluzione. L’ampio campo visivo offre la massima possibilità di rilevare un burst fugace e imprevedibile. L’alta risoluzione consente di determinare la posizione effettiva del burst nel campo visivo.

ASKAP era il candidato perfetto per questo lavoro. Situato nella parte più occidentale dell’outback australiano, dove il bestiame e le pecore pascolano su terreni pubblici e le persone sono poche e lontane tra loro, il telescopio è composto da 36 parabole, ciascuna con un ampio campo visivo. Queste parabole sono separate da grandi distanze e consentono di combinare le osservazioni attraverso una tecnica chiamata interferometria, in modo da poter osservare con grande precisione una piccola porzione di cielo. 

Le parabole non erano ancora formalmente in uso, ma Bannister ebbe un’idea. Le prese e costruì un telescopio “a occhio di mosca”, puntando le parabole in diverse parti del cielo per massimizzare la capacità di individuare qualcosa che poteva lampeggiare ovunque.

“Improvvisamente ci è sembrato di vivere in paradiso”, racconta Bannister. “A quel punto c’erano stati solo tre o quattro rilevamenti di FRB, e la gente non era del tutto sicura se [gli FRB] fossero reali o meno, e noi li trovavamo ogni due settimane”.

Quando l’interferometro di ASKAP è entrato in funzione nel settembre 2018, è iniziato il vero lavoro. Bannister ha progettato un software che paragona a un replay in diretta dell’evento FRB. “Questa cosa arriva, sbatte contro il tuo telescopio e scompare, e tu hai un millisecondo per ottenere il suo numero di telefono”, dice. Per fare ciò, il software rileva la presenza di un FRB entro un centesimo di secondo e poi va a monte per creare una registrazione dei dati del telescopio prima che il sistema li sovrascriva. I dati provenienti da tutte le parabole possono essere elaborati e combinati per ricostruire una vista del cielo e trovare un punto di origine preciso. Il team può quindi inviare le coordinate ai telescopi ottici, che possono scattare immagini dettagliate del punto per confermare la presenza di una galassia, probabile punto di origine dell’FRB.

Il team di Ryder ha utilizzato i dati sullo spettro della galassia, raccolti dall’European Southern Observatory, per misurare quanto si è allungata la sua luce mentre attraversava lo spazio per raggiungere i nostri telescopi. Questo “redshift” diventa un indicatore di distanza, permettendo agli astronomi di stimare quanto spazio ha attraversato la luce dell’FRB.

Nel 2018, il replay live-action ha funzionato per la prima volta, rendendo Bannister, Ryder, Prochaska e il resto del team di ricerca i primi a localizzare un FRB che non si ripeteva. L’anno successivo, il team ne aveva localizzati circa cinque. Nel 2020 hanno pubblicato un articolo su Nature in cui dichiaravano che gli FRB avevano permesso di contare i barioni mancanti dell’universo.

Al centro dell’argomentazione del documento c’era una cosa chiamata misura di dispersione, un numero che riflette quanto la luce di un FRB sia stata spalmata da tutti gli elettroni liberi lungo la nostra linea di vista. In generale, più lontano viaggia un FRB, più alta dovrebbe essere la misura di dispersione. Grazie alla distanza di viaggio (il redshift) e alla misura della dispersione per un certo numero di FRB, i ricercatori hanno scoperto di poter estrapolare la densità totale di particelle nell’universo. J-P Macquart, autore principale del lavoro, ritiene che la relazione tra la misura di dispersione e la distanza degli FRB sia prevedibile e possa essere applicata per mappare l’universo.

In quanto leader del settore e protagonista dell’avanzamento della ricerca sulle FRB, Macquart avrebbe dovuto essere intervistato per questo articolo. Ma morì di infarto una settimana dopo la pubblicazione dell’articolo, all’età di 45 anni. I ricercatori di FRB hanno iniziato a chiamare la relazione tra dispersione e distanza “relazione di Macquart”, in onore della sua memoria e della sua spinta verso l’idea rivoluzionaria che gli FRB potessero essere utilizzati per la cosmologia.

Dimostrare che la relazione di Macquart sarebbe stata valida a distanze maggiori divenne una ricerca non solo scientifica ma anche emotiva.

“Ricordo di aver pensato che so qualcosa sull’universo che nessun altro sa”.

I ricercatori sapevano che il telescopio ASKAP era in grado di rilevare burst da molto lontano: dovevano solo trovarne uno. Ogni volta che il telescopio rilevava un FRB, Ryder aveva il compito di aiutare a determinare la sua origine. Ci volle molto più tempo di quanto avrebbe voluto. Ma una mattina del luglio 2022, dopo molti mesi di frustrazione, Ryder scaricò l’ultima email di dati dall’European Southern Observatory e iniziò a scorrere i dati dello spettro. Scorreva, scorreva, scorreva… e poi eccola lì: la luce di 8 miliardi di anni fa, o un redshift di uno, simboleggiato da due linee luminose molto vicine sullo schermo del computer, che mostravano le emissioni ottiche dell’ossigeno. “Ricordo di aver pensato che so qualcosa sull’universo che nessun altro sa”, dice. “Volevo saltare su Slack e dirlo a tutti, ma poi ho pensato: no, rimani qui seduto e goditi questo momento”. C’è voluto molto per arrivare a questo punto”.

Con l’articolo pubblicato su Science nell’ottobre 2023, il team ha praticamente raddoppiato la distanza di riferimento per la relazione di Macquart, onorando la memoria di Macquart nel modo migliore possibile. Il salto di distanza era significativo perché Ryder e gli altri membri del team volevano confermare che il loro lavoro sarebbe stato valido anche per gli FRB la cui luce proviene da così lontano da riflettere un universo molto più giovane. Volevano anche stabilire che era possibile trovare FRB a questo redshift, perché gli astronomi hanno bisogno di raccogliere prove su molti altri come questo per creare la mappa cosmologica che motiva tanta ricerca sugli FRB.

“È incoraggiante che la relazione di Macquart sembri ancora reggere e che si possano ancora vedere radio burst veloci provenienti da quelle distanze”, ha detto Ryder. “Presumiamo che ce ne siano molti altri là fuori”.

Mappare la rete cosmica

La materia mancante che si trova tra le galassie, che dovrebbe contenere la maggior parte della materia dell’universo, viene spesso chiamata ragnatela cosmica. I gas diffusi non fluttuano come nuvole casuali, ma sono intrecciati tra loro come una ragnatela, una complessa tessitura di filamenti delicati che si allunga man mano che le galassie ai loro nodi crescono e si spostano. Questo gas è probabilmente fuoriuscito dalle galassie nello spazio al di là di esse quando si sono formate, spinto verso l’esterno da esplosioni massicce.

“Non capiamo come il gas venga spinto dentro e fuori dalle galassie. È fondamentale per capire come si formano ed evolvono le galassie”, afferma Kiyoshi Masui, direttore del Synoptic Radio Lab del MIT. “Noi esistiamo solo perché esistono le stelle, eppure questo processo di costruzione dei mattoni dell’universo è poco conosciuto… La nostra capacità di modellarlo è il buco più grande nella nostra comprensione di come funziona l’universo”.

Gli astronomi stanno anche lavorando per costruire mappe su larga scala delle galassie, al fine di misurare con precisione l’espansione dell’universo. Ma la modellazione cosmologica in corso con gli FRB dovrebbe creare un’immagine dei gas invisibili tra le galassie, che attualmente non esiste. Per costruire una mappa tridimensionale di questa rete cosmica, gli astronomi avranno bisogno di dati precisi su migliaia di FRB provenienti da regioni vicine alla Terra e molto lontane, come l’FRB a redshift uno. “In definitiva, i fast radio burst forniranno un quadro molto dettagliato di come il gas viene spinto in giro”, afferma Masui. “Per arrivare ai dati cosmologici, i campioni devono diventare più grandi, ma non molto più grandi”.

Questo è il compito di Masui, che guida un team alla ricerca di FRB molto più vicini alla nostra galassia di quelli trovati dalla collaborazione australiana. Il team di Masui conduce la ricerca sugli FRB con il telescopio CHIME in British Columbia, un radiotelescopio non tradizionale con un campo visivo molto ampio e riflettori di messa a fuoco che assomigliano a mezzi tubi invece che a parabole. Il CHIME (acronimo di “Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment”) non ha parti in movimento e fa meno affidamento sugli specchi rispetto a un telescopio tradizionale (focalizzando la luce in una sola direzione anziché in due), utilizzando invece tecniche digitali per elaborare i dati. CHIME può utilizzare la sua tecnologia digitale per mettere a fuoco molti punti contemporaneamente, creando un campo visivo di 200 gradi quadrati rispetto ai 30 gradi di ASKAP. Masui lo ha paragonato a uno specchio che può essere messo a fuoco su migliaia di punti diversi contemporaneamente.

Grazie a questo enorme campo visivo, CHIME è stato in grado di raccogliere dati su migliaia di burst più vicini alla Via Lattea. Sebbene CHIME non sia ancora in grado di individuare con precisione la loro provenienza come ASKAP (il telescopio è molto più compatto e fornisce una risoluzione inferiore), Masui sta guidando gli sforzi per cambiare questa situazione costruendo tre versioni più piccole dello stesso telescopio in British Columbia, a Green Bank, in West Virginia, e nella California settentrionale. I dati aggiuntivi forniti da questi telescopi, il primo dei quali sarà probabilmente raccolto quest’anno, possono essere combinati con i dati del telescopio CHIME originale per produrre informazioni di localizzazione circa 1.000 volte più precise. Dovrebbero essere sufficientemente dettagliate per la mappatura cosmologica.

La tecnologia dei telescopi sta migliorando così rapidamente che il tentativo di raccogliere un numero sufficiente di campioni di FRB da diverse parti dell’universo per una mappa cosmologica potrebbe essere completato entro i prossimi 10 anni. Oltre a CHIME, quest’anno dovrebbe entrare in funzione il radiotelescopio BURSTT a Taiwan; il telescopio CHORD in Canada, progettato per superare CHIME, dovrebbe entrare in funzione nel 2025; e il Deep Synoptic Array in California potrebbe trasformare il campo della radioastronomia quando sarà terminato, cosa che si prevede avverrà verso la fine del decennio.

E all’ASKAP, Bannister sta costruendo un nuovo strumento che quintuplicherà la sensibilità del telescopio, a partire da quest’anno. Se riuscite a immaginare di stipare un milione di persone che guardano simultaneamente video di YouTube non compressi in una scatola delle dimensioni di un frigorifero, questo è probabilmente il modo più semplice per visualizzare le capacità di gestione dei dati di questo nuovo processore, chiamato field-programmable gate array, che Bannister ha quasi finito di programmare. Egli prevede che il nuovo dispositivo consentirà al team di rilevare un nuovo FRB ogni giorno.

Con tutti i telescopi in competizione, dice Bannister, “tra cinque o dieci anni ci saranno 1.000 nuovi FRB rilevati prima che tu possa scrivere un articolo su quello che hai appena trovato… Siamo in una corsa per renderli noiosi”.

Prochaska è così sicuro che gli FRB ci daranno finalmente la mappa cosmologica a cui ha lavorato per tutta la vita che ha iniziato a studiare per laurearsi in oceanografia. Una volta che gli astronomi avranno misurato le distanze di 1.000 esplosioni, intende abbandonare completamente il lavoro.

“In un decennio potremmo avere una mappa cosmologica molto precisa”, dice. “È a questo che servono i 1.000 FRB – e dovrei essere licenziato se non lo facciamo”.

A differenza della maggior parte degli scienziati, Prochaska può definire l’obiettivo finale. Sa che tutti questi FRB dovrebbero consentire agli astronomi di tracciare una mappa dei gas invisibili nell’universo, creando un quadro di come le galassie si evolvono quando i gas si spostano verso l’esterno e poi rientrano. Gli FRB ci garantiranno una comprensione della forma dell’universo che oggi non abbiamo, anche se il mistero di ciò che li produce permane.

Anna Kramer è una giornalista scientifica e climatica con sede a Washington, D.C.