Una delle più importanti “firme radio” dell’Universo è quella prodotta dall’idrogeno neutro alla lunghezza d’onda di 21 centimetri. Da decenni questa emissione permette ai radioastronomi di studiare la distribuzione del gas nelle galassie e nella Via Lattea. Ora un gruppo internazionale di ricercatori è riuscito a sfruttarla in un modo nuovo, utilizzando il radiotelescopio canadese CHIME e una tecnica basata sull’autocorrelazione dei segnali ricevuti dalle sue antenne.
Il risultato, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, dimostra che è possibile utilizzare CHIME per rilevare collettivamente l’emissione dell’idrogeno neutro proveniente da galassie lontane, aprendo una nuova strada per la ricostruzione tridimensionale della distribuzione della materia nell’Universo.
L’idrogeno è l’elemento più abbondante nel cosmo e la sua osservazione costituisce uno degli strumenti fondamentali della radioastronomia. In particolari condizioni, l’atomo di idrogeno neutro può produrre una debolissima emissione radio alla frequenza di circa 1420 MHz, corrispondente a una lunghezza d’onda di circa 21 centimetri.
Questa radiazione nasce dalla cosiddetta transizione iperfine dell’idrogeno: un cambiamento estremamente raro nella configurazione relativa dello spin del protone e dell’elettrone. Il singolo evento ha una probabilità molto bassa, ma l’enorme quantità di idrogeno presente nell’Universo rende la riga a 21 centimetri perfettamente osservabile su scala astronomica.
Nel caso di sorgenti molto lontane, però, l’espansione dell’Universo produce uno spostamento verso il rosso della radiazione. La riga originariamente emessa a 1420 MHz viene quindi osservata a frequenze progressivamente più basse quanto maggiore è la distanza della sorgente.
È proprio in questa regione dello spettro che opera CHIME – Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, radiotelescopio situato presso il Dominion Radio Astrophysical Observatory, nella Columbia Britannica, in Canada.
CHIME è molto diverso dall’immagine tradizionale di un radiotelescopio. Non possiede una grande parabola orientabile, ma è costituito da quattro riflettori cilindrici fissi, lunghi circa 100 metri e larghi 20 metri. Sfruttando la rotazione terrestre, lo strumento osserva ogni giorno una vasta porzione di cielo nella banda compresa tra 400 e 800 MHz.
CHIME è diventato particolarmente noto per lo studio dei Fast Radio Burst (FRB), ma uno degli obiettivi originari del progetto è proprio la cosmologia attraverso la riga dell’idrogeno neutro.
La difficoltà è enorme. Il segnale cosmologico dell’idrogeno proveniente dalle galassie lontane è infatti estremamente debole e viene sommerso da emissioni radio molto più intense, provenienti dalla nostra Galassia, da sorgenti extragalattiche e anche dalle interferenze radio di origine artificiale.
Normalmente un interferometro come CHIME utilizza la correlazione incrociata (cross-correlation) tra i segnali ricevuti da coppie differenti di antenne. In questo modo è possibile ricostruire la distribuzione spaziale dell’emissione radio nel cielo.
Nel nuovo lavoro i ricercatori hanno seguito invece un’altra strada: hanno utilizzato le autocorrelazioni, confrontando il segnale di ciascun elemento ricevente con se stesso.
A prima vista potrebbe sembrare un approccio più semplice, ma presenta una difficoltà fondamentale. Le autocorrelazioni sono particolarmente sensibili alle variazioni della risposta strumentale, al rumore dei ricevitori e ad altri effetti sistematici. Estrarre un segnale cosmologico estremamente debole richiede quindi una calibrazione e un’analisi dei dati molto accurate.
Il vantaggio, tuttavia, è importante. L’autocorrelazione conserva informazioni sulla luminosità radio complessiva del cielo che possono andare perdute o risultare più difficili da recuperare utilizzando esclusivamente le correlazioni tra antenne differenti.
Per verificare se il segnale dell’idrogeno cosmico fosse effettivamente presente nei dati, gli astronomi hanno confrontato le osservazioni di CHIME con cataloghi di oggetti la cui distanza era già nota attraverso misure ottiche.
Invece di cercare di identificare direttamente l’emissione a 21 centimetri di ogni singola galassia – troppo debole per essere rilevata individualmente – hanno quindi cercato un segnale statistico comune nelle posizioni e alle distanze nelle quali sapevano già che si trovavano grandi quantità di materia.
Il risultato è stato positivo: nei dati in autocorrelazione di CHIME è emersa una correlazione con la distribuzione delle galassie e dei quasar conosciuti.
In altre parole, il radiotelescopio è riuscito a rilevare collettivamente la presenza dell’idrogeno neutro cosmico senza dover distinguere una per una le singole galassie che lo contengono.
È il principio alla base dell’intensity mapping, una tecnica che potrebbe diventare sempre più importante nella cosmologia osservativa. Invece di costruire un catalogo dettagliato di milioni di singole galassie, si misura l’intensità complessiva della riga a 21 centimetri proveniente da grandi volumi di Universo.
Poiché la frequenza osservata della riga permette di risalire al suo redshift, e quindi alla distanza cosmologica, è possibile costruire una vera e propria mappa tridimensionale della distribuzione dell’idrogeno.
Queste mappe possono essere utilizzate per studiare la struttura su grande scala dell’Universo e, in particolare, le cosiddette oscillazioni acustiche barioniche (BAO): una caratteristica statistica della distribuzione della materia che conserva l’impronta delle onde sonore propagate nel plasma dell’Universo primordiale.
Le BAO costituiscono una sorta di “righello cosmico”. Misurandone le dimensioni apparenti a epoche differenti è possibile ricostruire la storia dell’espansione cosmica e ottenere informazioni sulla natura dell’energia oscura, la componente ancora misteriosa responsabile dell’attuale espansione accelerata dell’Universo.
Il risultato ottenuto con CHIME è importante anche dal punto di vista strumentale. Dimostra infatti che le autocorrelazioni, spesso considerate problematiche a causa della loro sensibilità al rumore e agli effetti sistematici, possono contenere preziose informazioni cosmologiche se opportunamente calibrate e analizzate.
La ricerca mostra ancora una volta quanto una delle righe spettrali più classiche della radioastronomia continui a offrire nuovi strumenti per esplorare il cosmo. La riga a 21 centimetri dell’idrogeno, utilizzata fin dagli anni Cinquanta per tracciare la struttura della Via Lattea, è oggi diventata anche una sonda con cui tentare di ricostruire la distribuzione della materia su distanze di miliardi di anni luce.
Dalla cartografia della nostra Galassia alla misura dell’espansione cosmica: settantacinque anni dopo le prime osservazioni, il debole segnale radio dell’idrogeno neutro continua così a rappresentare una delle più potenti finestre attraverso cui osservare l’Universo.
Fonte: Media INAF, L’idrogeno a 21 cm visto da Chime in autocorrelazione, 6 ottobre 2026.
