Uno studio con il telescopio perfeziona la stima dell’elio prodotto dopo il Big Bang

Gli astronomi hanno realizzato la stima più precisa mai effettuata dell’elio creato nei primi minuti dell’universo, utilizzando le osservazioni di 15 piccole galassie la cui composizione chimica è cambiata poco nel tempo. Il risultato riduce allo 0,5% l’incertezza associata alla misurazione, circa un terzo del livello precedente, secondo quanto riferito da SciTechDaily.

I risultati del team internazionale si basano su 130 ore di osservazioni effettuate con il Large Binocular Telescope. Gli scienziati hanno utilizzato i dati per studiare l’elio e l’idrogeno in galassie che conservano una traccia relativamente diretta delle condizioni dell’universo primordiale. Tra i ricercatori coinvolti figurano anche studiosi della University of Minnesota Twin Cities.

Il lavoro è presentato in cinque articoli pubblicati su The Astrophysical Journal. Esso offre ai fisici un banco di prova più rigoroso per le teorie sulle origini dell’universo e sulle particelle e le forze descritte dal Modello standard.

Alla ricerca di una testimonianza dell’universo primordiale

L’elio è il secondo elemento chimico più leggero e uno dei principali prodotti attesi nelle prime fasi dell’universo. La quantità presente oggi contiene informazioni sul periodo in cui il cosmo aveva solo pochi minuti, poco dopo che la sua espansione era iniziata a partire da uno stato estremamente caldo e denso.

Per molti anni, gli astronomi hanno stimato indirettamente il livello originario di elio. Hanno osservato un’ampia raccolta di galassie, confrontato il loro contenuto di elio con altri indicatori del cambiamento chimico e proiettato il modello a ritroso verso un punto in cui erano presenti pochi elementi pesanti. Questo processo, noto come estrapolazione, dipende dall’affidabilità con cui la tendenza può essere estesa oltre le osservazioni.

Il nuovo studio si è invece concentrato su alcune delle galassie note meno evolute dal punto di vista chimico. Poiché questi sistemi hanno accumulato meno elementi nel corso della loro storia, il loro gas è più vicino alla composizione lasciata dall’universo primordiale. Ciò ha permesso ai ricercatori di dipendere meno da un punto di partenza calcolato e maggiormente dalle misurazioni effettuate su oggetti che conservano una firma chimica relativamente primitiva.

L’approccio non elimina la necessità di un’analisi accurata. Alla precisione ricercata dal team, anche piccole influenze che spingono sistematicamente un risultato lontano dal valore reale diventano importanti. Gli studi precedenti avevano considerato diversi di questi effetti troppo ridotti per influire sulla conclusione generale. Quando l’incertezza obiettivo è scesa al di sotto dell’1%, il team ha dovuto modellarli esplicitamente.

Leggere la luce delle galassie

Per le osservazioni sono stati utilizzati spettrografi sviluppati presso la Ohio State University. Questi strumenti scompongono la luce di ciascuna galassia nelle diverse lunghezze d’onda, evidenziando le righe spettrali associate a particolari elementi. Le righe forniscono le informazioni necessarie per determinare le quantità relative di elio e idrogeno nel gas osservato.

Invece di basarsi su una singola caratteristica, i ricercatori hanno esaminato contemporaneamente più di 10 righe dell’elio e 15 righe dell’idrogeno. Il confronto tra le righe li ha aiutati a individuare e correggere gli effetti sistematici che altrimenti avrebbero potuto distorcere la stima dell’abbondanza.

Richard Pogge, professore di astronomia alla Ohio State, ha affermato che gli spettrografi MODS hanno richiesto 12 anni di sviluppo prima di essere installati sul telescopio. Il loro utilizzo riuscito in questo progetto, ha detto, ha dimostrato lo scopo della costruzione di strumenti in grado di effettuare misurazioni fondamentali.

Evan Skillman, professore di fisica e astronomia alla University of Minnesota, ha dichiarato che il team si era posto l’obiettivo di raggiungere un’incertezza dello 0,5% e lo ha conseguito. Il risultato rappresenta un sostanziale miglioramento della precisione, non una semplice aggiunta di un’altra stima a un intervallo già esistente.

Un test per la storia cosmica e la fisica delle particelle

L’abbondanza degli elementi leggeri è uno dei tre principali tipi di prove a sostegno della descrizione della storia cosmica basata sul Big Bang. Gli altri due messi in evidenza nel rapporto sono la continua espansione dell’universo e la radiazione cosmica di fondo, la radiazione residua del suo periodo iniziale. L’elio è stato studiato meno estesamente rispetto a questi altri due segnali, il che rende particolarmente utile una misurazione più accurata della sua abbondanza.

L’elio può anche essere confrontato con le previsioni del Modello standard, il quadro teorico che i fisici utilizzano per descrivere le particelle elementari e le loro interazioni. Una discrepanza tra l’abbondanza misurata e il valore atteso potrebbe indicare ingredienti mancanti in quel quadro, mentre un accordo porrebbe limiti più stringenti sulle possibili alternative.

Il team ha utilizzato il risultato relativo all’elio per calcolare quante famiglie di neutrini fossero presenti nell’universo primordiale. I neutrini sono particelle subatomiche estremamente leggere e la loro popolazione iniziale influisce sulle condizioni in cui si sono formati i primi elementi leggeri. Questo calcolo collega le osservazioni di galassie vicine con il contenuto di particelle del cosmo quando aveva solo pochi minuti.

L’articolo sulla metodologia del progetto è stato pubblicato il 9 settembre 2026. Tra i suoi autori figurano scienziati della University of Minnesota, della Ohio State University e di altre istituzioni. Combinando galassie insolitamente primitive, lunghe osservazioni al telescopio e un trattamento dettagliato di molteplici righe spettrali, lo studio trasforma la misurazione di un elemento in uno strumento più preciso per sondare sia l’origine dell’universo sia la fisica che lo governa.