Nuovo strumento per studiare l'universo primordiale

L'Epoch of Reionization Spectrometer, o EoR-Spec, è un nuovo strumento che ci aiuterà a studiare l'universo primordiale. Si concentra sul periodo in cui si sono formate le prime stelle e galassie, noto come Epoch of Reionization (EoR). Questo periodo è durato da uno spostamento verso il rosso di circa 3.5 a 8, ovvero quando l'universo aveva solo qualche centinaio di milioni di anni. L'EoR-Spec punta a capire come questi primi oggetti abbiano influenzato l'evoluzione dell'universo misurando la luce emessa dal carbonio ionizzato, in particolare la linea [CII] a 158 micron.

Questa linea di emissione è fondamentale perché funge da ottimo indicatore per la formazione delle stelle. Quando le stelle riscaldano il gas neutro circostante, viene prodotta luce [CII], che i ricercatori possono rilevare. L'EoR-Spec sarà attaccato al Prime-Cam, un ricevitore avanzato per il Fred Young Submillimeter Telescope, attualmente in costruzione nel deserto di Atacama, in Cile. Il telescopio avrà un'apertura grande 6 metri e aiuterà gli scienziati a raccogliere più dati su questo periodo antico.

#Caratteristiche dello Strumento

L'EoR-Spec è progettato con un totale di circa 6.500 Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). Questi rivelatori misurano la luce mentre un sistema ottico speciale aiuta a mettere a fuoco i segnali in arrivo. Il sistema ottico utilizza quattro lenti per raccogliere la luce in modo efficace e ha un dispositivo chiamato Fabry-Perot Interferometer (FPI) che aiuta a separare la luce in base al colore, o lunghezza d'onda. L'FPI sarà in grado di concentrarsi su un intervallo di lunghezze d'onda da 210 a 420 GHz, che comprende la linea di emissione chiave importante per studiare l'universo primordiale.

Questo strumento osserverà aree specifiche nel cielo conosciute come i campi E-COSMOS ed E-CDFS per un lungo periodo, per un totale di circa 4.000 ore distribuite su cinque anni. L'obiettivo finale è raccogliere abbastanza dati per fornire un'immagine più chiara di cosa stava accadendo durante l'EoR.

#Importanza dell'Epoch of Reionization

La formazione delle prime stelle e galassie ha portato a cambiamenti significativi nell'universo. Prima di questo periodo, l'universo era per lo più riempito di idrogeno neutro. Con la formazione delle stelle, esse hanno emesso radiazioni forti che hanno ionizzato gradualmente questo idrogeno, creando un ambiente più complesso. Le ricerche hanno dimostrato che questo cambiamento non è avvenuto in modo uniforme; è successo a chiazze ed è stato legato ai luoghi in cui si formavano le stelle.

Capire l'EoR è cruciale per gli astronomi. Li aiuta ad apprendere sull'espansione dell'universo e fornisce informazioni sulla natura della materia oscura. Analizzando la frazione di ionizzazione nel tempo, gli scienziati sperano di raccogliere informazioni preziose che possano risolvere le tensioni attuali nella cosmologia.

#Mappatura dell'Intensità della Linea (LIM)

Tradizionalmente, gli astronomi hanno avuto difficoltà a mappare grandi aree dell'universo per trovare e studiare le galassie primordiali a causa della loro luce fioca. Il nuovo approccio chiamato Line Intensity Mapping (LIM) offre una soluzione. Invece di guardare le singole galassie, LIM misura la luce combinata di molte galassie contemporaneamente. Questo consente agli scienziati di costruire mappe tridimensionali di grandi volumi cosmici in modo efficace.

Negli ultimi anni, LIM ha guadagnato popolarità attraverso vari progetti come CHIME e TIME. Questi esperimenti hanno mostrato risultati promettenti per comprendere il cosmo in modo più ampio.

#Meccanica dell'EoR-Spec

EoR-Spec è costruito con tre grandi array di rivelatori, divisi in due bande di frequenza. Le due array si concentrano su frequenze più basse dove ci aspettiamo di trovare segnali più brillanti, mentre il terzo array esamina frequenze più alte. Tutti questi rivelatori sono progettati per lavorare insieme, utilizzando un corno di alluminio speciale che raccoglie e dirige i segnali in arrivo agli MKIDs.

Una delle caratteristiche interessanti dell'EoR-Spec è il suo FPI avanzato, progettato per filtrare e misurare i segnali in arrivo in base alla loro lunghezza d'onda. Questo permetterà una maggiore precisione nel determinare le caratteristiche della luce emessa durante l'EoR.

#Design Meccanico e Ottico

Il modulo strumentale dell'EoR-Spec ha subito diverse iterazioni di design per ottimizzarne le prestazioni. Il design meccanico utilizza materiali che possono resistere a basse temperature, garantendo che i rivelatori funzionino in modo efficace. Posizionando i componenti critici in modo accurato, i ricercatori sono riusciti a massimizzare la raccolta di luce mentre minimizzano il calore indesiderato.

La fotocamera utilizza lenti asferiche invece di lenti tradizionali per migliorare le prestazioni ottiche. Queste lenti sono più economiche da produrre e non richiedono un allineamento preciso. Alla fine, questa scelta di design rende l'assemblaggio e il funzionamento più gestibili.

Per ridurre ulteriormente la luce parassita, che potrebbe interferire con le letture, sono state implementate misure aggiuntive. Le aree attorno all'FPI sono coperte con assorbitori per catturare eventuali segnali indesiderati. Questa attenzione ai dettagli è necessaria per garantire l'accuratezza dello strumento.

#Progressi e Passi Futuri

Ad oggi, il primo array di rivelatori a bassa frequenza è in fase di fabbricazione, con piani per ulteriori array in futuro. I test iniziali hanno mostrato risultati promettenti, ottenendo un'efficienza dell'85% nel rilevare segnali. Ulteriori test e calibrazioni continueranno a migliorare questa resa man mano che il progetto avanza.

Il design e la costruzione dell'EoR-Spec sono sostenuti da varie istituzioni e enti di finanziamento, a testimonianza della collaborazione tra organizzazioni impegnate nell'avanzamento della nostra comprensione del cosmo.

In conclusione, l'EoR-Spec è uno strumento sofisticato che consentirà agli astronomi di mappare efficacemente la luce fioca dall'universo primordiale. Utilizzando tecnologie innovative come la Mappatura dell'Intensità della Linea e ottiche all'avanguardia, questo strumento fornirà informazioni preziose sull'Epoch of Reionization, aiutando a rispondere ad alcune delle domande più importanti nella cosmologia di oggi. Le prime osservazioni di luce dal Fred Young Submillimeter Telescope sono previste per il 2026, segnando una tappa emozionante per questo progetto innovativo. Grazie a ricerche dedicate e collaborazione, l'EoR-Spec punta a illuminare la nostra comprensione della storia dell'universo e della sua continua evoluzione.