13,8 miliardi di anni fa, l’universo era più caldo che caldo. Poi si è espanso e si è raffreddato – a 2,725 Kelvin oggi, la temperatura della radiazione cosmica di fondo. Dal momento in cui la radiazione cosmica di fondo è stata rilasciata fino ad oggi, l’universo si è espanso di un fattore di circa 1100. La radiazione cosmica di fondo, che originariamente aveva una temperatura di circa 3000 Kelvin e la cui radiazione termica sembrava quindi a quel tempo simile alla luce di una lampada alogena, si è raffreddata dello stesso fattore. Naturalmente, l’intero universo non è mai stato ugualmente caldo ovunque. Questo rende possibile ai ricercatori di oggi, per quanto incredibile possa sembrare, misurare la temperatura dell’universo nella sua giovinezza. Nella rivista scientifica Nature, un gruppo internazionale di astrofisici descrive come sono riusciti a farlo. Gli scienziati hanno utilizzato l’osservatorio NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) nelle Alpi francesi, il più potente radiotelescopio dell’emisfero nord. Con esso, hanno osservato HFLS3, una massiccia galassia starburst – cioè una galassia che forma le sue stelle estremamente rapidamente. Poiché HFLS3 è così lontano dalla Terra, la sua luce ha impiegato così tanto tempo per raggiungerci che la osserviamo 880 milioni di anni dopo il Big Bang. In altre parole, in un momento in cui l’universo era molto più giovane e quindi più caldo.

Gli astronomi hanno scoperto una nuvola di vapore acqueo freddo nella galassia che getta un’ombra sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. L’ombra si crea perché l’acqua più fredda assorbe la radiazione a microonde più calda nel suo percorso verso la Terra. Quanto è scura la macchia lasciata dall’ombra rivela la differenza di temperatura tra la radiazione di fondo e il vapore acqueo. Poiché la temperatura dell’acqua può essere determinata da altre proprietà osservate della galassia starburst, i ricercatori sono stati in grado di calcolare quanto calda deve essere stata la radiazione relitta del Big Bang in quel momento. Hanno trovato un valore tra 16,4 e 30,2 Kelvin, circa sette volte più caldo che nell’universo di oggi. Questo corrisponde alle previsioni degli attuali modelli cosmologici di 20 Kelvin e quindi li conferma. Nei nostri modelli cosmologici, l’effetto dell’espansione cosmica sulla temperatura è molto diretto: Durante il tempo in cui le distanze tra galassie lontane sono aumentate di un fattore 2 a causa dell’espansione cosmica, la temperatura della radiazione cosmica di fondo scende alla metà del suo valore originale.

“Oltre a dimostrare il raffreddamento, questa scoperta ci mostra anche che l’universo aveva alcune proprietà fisiche molto specifiche nei suoi primi giorni che oggi non esistono più”, ha detto il primo autore, il professor Dominik Riechers dell’Istituto di astrofisica dell’Università di Colonia. “Molto presto, circa 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang, il fondo cosmico a microonde era troppo freddo per osservare questo effetto. Quindi abbiamo una finestra di osservazione unica che si apre solo nell’universo molto giovane”. In altre parole, se una galassia con proprietà altrimenti identiche a HFLS3 esistesse oggi, l’ombra d’acqua non sarebbe osservabile perché il contrasto di temperatura richiesto non esisterebbe più.

“Questa importante pietra miliare non solo conferma la tendenza di raffreddamento prevista per un’epoca molto più precoce di quanto misurato in precedenza, ma potrebbe anche avere implicazioni dirette per la natura dell’inafferrabile energia oscura”, dice il co-autore Dr. Axel Weiss del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn, Germania. In astrofisica, si pensa che l’energia oscura sia responsabile dell’espansione accelerata dell’universo negli ultimi miliardi di anni, ma le sue proprietà rimangono poco comprese perché non può essere osservata direttamente con i telescopi e gli strumenti attualmente disponibili. Tuttavia, le sue proprietà influenzano l’evoluzione dell’espansione cosmica e quindi il tasso di raffreddamento dell’universo nel corso del tempo cosmico. Sulla base di questo esperimento, le proprietà dell’energia oscura rimangono – per ora – coerenti con quelle della “costante cosmologica” di Einstein. “Cioè, abbiamo un universo in espansione in cui la densità dell’energia oscura non cambia”, spiega Weiss.