La foto del grande caos. Ecco come era l’universo poco dopo il Big Bang

Anche l’universo ha avuto la sua epoca buia. Per centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang l’universo si è espanso nell’oscurità più totale. Poi le stelle hanno iniziato ad accendersi, una dopo l’altra. Fino a quando, un miliardo di anni dopo la sua nascita, l’universo è stato raggiunto dalla luce in ogni suo angolo.

Capire cosa è successo nell’epoca oscura non è facile. Dal 2022 il telescopio spaziale James Webb guarda abbastanza lontano da darci qualche indizio. I suoi dati oggi sono usati dall’università di Harvard e dallo Smithsonian Institute, negli Stati Uniti, per simulare in una sorta di film le fasi iniziali dell’universo, in particolare quell’aspetto misterioso che gli scienziati chiamano reionizzazione e che coincide proprio con la propagazione della luce.

La simulazione di Harvard e Smithsonian, che si chiama non a caso Lumina, sfrutta i dati di Webb e il computer più potente d’America, il terzo al mondo: Frontier, che si trova a Oak Ridge in Tennessee e sa svolgere un quintilione di operazioni al secondo. Tiene insieme la storia di galassie, materia oscura e buchi neri nei primi due miliardi di vita dell’universo (oggi la sua età è di 13,8 miliardi di anni). La descrizione di Lumina è oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Webb ci permette di osservare l’universo fino a 13 miliardi e mezzo di anni fa, vicino al Big Bang» spiega Adriano Fontana, dirigente di ricerca dell’Inaf, l’Istituto Nazionale di Astrofisica. «All’epoca tutta la materia era sotto forma di gas, una sorta di nebbia che impediva alla luce di viaggiare. Poi stelle e galassie si sono gradualmente accese e hanno ionizzato il gas (hanno cioè separato gli elettroni dai protoni negli atomi di idrogeno), permettendo alla luce di attraversarlo. L’universo, gradualmente, è diventato così trasparente. Il processo si è completato entro il primo miliardo di anni di età dell’universo, ma gli stadi intermedi non sono chiari». Lumina è il più grande fra i progetti che simulano parti dell’universo, con un volume di 1,5 miliardi di anni luce al cubo.

«La diffusione della luce è un processo complicato» spiega Fontana. «Si parte da una singola stella. È come un piccolo seme luminoso che può esplodere scagliando materia incandescente nelle vicinanze, interferendo nella formazione di altre stelle, in un crescendo di radiazione che porta alla reionizzazione di tutto l’universo. È un processo caotico, non dissimile dal battito d’ali della farfalla che crea un uragano dall’altra parte del mondo».

Fra gli attori del caotico ballo ci sono i buchi neri: Webb ne ha trovati molti più del previsto nell’universo antico. Anche la materia che ingoiano produce radiazioni che contribuiscono alla reionizzazione.

Direttrice delle danze è però la materia oscura: di lei non si sa nulla, solo che esercita una forza di gravità sugli altri attori del cosmo ed è sei volte più abbondante della materia ordinaria. Aggregandosi, quest’ultima, forma stelle che possono esplodere alla fine del loro ciclo vitale. Emettono gas incandescenti che attraversano le galassie, viaggiando per milioni di anni luce.

È questo il caos riflesso dalle immagini di Lumina, in cui i colori rappresentano temperature e tipi di materia diversa. «Senza questa grande confusione non sarebbero nate la nostra galassia, la Terra, la vita» spiega Fontana. «Le stelle si sarebbero formate contemporaneamente e si sarebbero già spente. Agitazione e calore ne hanno rimandato la formazione, scaglionandone l’accensione nelle varie epoche dell’universo». E facendo arrivare la luce fino a oggi.