Non un laser, ma un maser — che cosa ha captato MeerKAT
Un radiotelescopio in Sudafrica ha intercettato un potente segnale proveniente da miliardi di anni fa, che assomiglia in modo sorprendente a un raggio laser sparato da un angolo remoto del cosmo.
Gli scienziati hanno interpretato questo segnale come un cosiddetto gigamaser — una sorgente radio di straordinaria luminosità generata dalla collisione tra due galassie. Si tratta di uno dei fenomeni più potenti di questo tipo mai registrati dagli strumenti terrestri.
A prima vista potresti pensare a un laser cosmico. In realtà, gli astronomi parlano di un maser, un fenomeno molto simile ma che opera su una gamma di frequenze diversa. Mentre il laser produce un fascio ordinato di fotoni di luce visibile, il maser genera fotoni alla frequenza delle microonde. Quando una tale sorgente brilla con intensità eccezionale, i ricercatori usano il termine gigamaser.
È esattamente questo il caso che ci troviamo ad analizzare. Il segnale proviene dal sistema catalogato come HATLAS J142935.3–002836, distante dalla Terra circa 8 miliardi di anni luce. Ciò significa che stiamo osservando un fenomeno avvenuto quando l’universo aveva solo circa 5,8 miliardi di anni.
Il radiotelescopio MeerKAT, operativo in Sudafrica, ha captato una banda di frequenza molto stretta ma con una chiarezza straordinaria. Prima di raggiungere la Terra, il segnale ha viaggiato per un tempo inimmaginabile attraverso lo spazio cosmico, indebolendosi e riflettendosi in un certo senso sulla struttura curva dello spaziotempo deformata dalla materia. Gli scienziati considerano questo gigamaser del sistema HATLAS uno dei segnali radio più estremi mai registrati da una distanza così grande.
Una collisione tra galassie, non un trasmettitore cosmico
A differenza di ipotesi fantascientifiche, non si tratta di un messaggio proveniente da una civiltà aliena né di una stella solitaria in agonia. L’analisi punta a un evento drammatico su scala molto più grande: la collisione tra due galassie massive nel sistema HATLAS. Entrambe erano ricche di gas, e questo si è rivelato un fattore determinante.
Durante una tale collisione — che si protrae nel tempo per molti milioni di anni — si verificano compressione e violento rimescolamento di enormi nubi di gas. In questo caso, miliardi di miliardi di molecole del cosiddetto radicale ossidrile, composto da un atomo di ossigeno e uno di idrogeno, hanno incontrato condizioni fisiche molto specifiche. I ricercatori hanno confermato che le molecole OH possono passare a uno stato di energia più elevata.
Questo fenomeno, noto come inversione di popolazione, fa sì che ciascuna molecola si comporti come un minuscolo serbatoio di energia. Basta un impulso perché cominci a irradiare quell’energia sotto forma di fotoni radio. Non appena il primo fotone radio compare in una tale nube, può indurre l’emissione di altri fotoni dalle molecole vicine.
Come nasce un maser cosmico
Si crea così progressivamente un effetto valanga, descritto in dettaglio dai fisici già negli anni Sessanta del secolo scorso. Il principio è analogo a quello del laser usato nella tecnologia comune: la prima molecola OH emette un fotone a una certa frequenza, quel fotone stimola le molecole vicine a emettere fotoni identici, e le molecole successive fanno lo stesso, amplificando il segnale in una direzione precisa.
- la prima molecola OH emette un fotone a una determinata frequenza
- quel fotone stimola le molecole vicine a emettere fotoni identici
- le molecole successive fanno lo stesso, amplificando il segnale in un’unica direzione
- tutte le onde si sommano in fase coerente
- invece di annullarsi come in una sorgente caotica, si amplificano a vicenda
- la nube di gas si trasforma in un amplificatore naturale di microonde
- l’energia si concentra in un fascio stretto che viaggia in una sola direzione
Si forma così un fascio straordinariamente ordinato, in cui tutte le onde si sommano in fase coerente. Invece di interferire distruttivamente come in una sorgente caotica, si amplificano a vicenda. Questo è ciò che trasforma la nube di gas in un maser naturale — un laser cosmico a microonde con l’energia concentrata in un fascio ristretto.
Doppia amplificazione — fisica quantistica e lente gravitazionale
Nel caso del sistema HATLAS, la fisica molecolare non è tutto. Durante il suo viaggio, il segnale ha incontrato una galassia massiccia la cui gravità ha deformato localmente lo spaziotempo, agendo come un’enorme lente che concentrava e amplificava le onde radio di passaggio. Questo effetto di lente gravitazionale ha contribuito in modo significativo all’osservabilità del fenomeno.
La cosiddetta lente gravitazionale non richiede alcun equipaggiamento tecnico — basta una grande massa. Dal punto di vista di un osservatore sulla Terra, l’effetto ricorda quello di guardare una lampada lontana attraverso una lente: l’immagine diventa più luminosa e talvolta anche distorta. Così al MeerKAT è giunto un segnale amplificato prima a livello quantistico e poi ulteriormente potenziato dalla geometria dell’universo.
Senza questa doppia amplificazione, tale emissione sarebbe rimasta inaccessibile ai nostri strumenti. Gli astronomi hanno calcolato che la combinazione tra l’effetto maser e la lente gravitazionale ha aumentato la luminosità apparente del segnale fino a cento volte rispetto a quanto sarebbe stato osservabile senza la galassia interposta.
La luminosità di trecentomila Soli in una singola banda stretta
I ricercatori hanno calcolato che il gigamaser di HATLAS aveva una luminosità equivalente a circa 300.000 Soli. È però fondamentale comprendere bene questo dato. Non si tratta di energia dispersa sull’intero spettro di radiazione, ma della sua concentrazione in una banda di frequenza estremamente stretta, legata a specifiche transizioni energetiche delle molecole OH.
Ogni tipo di molecola possiede un proprio insieme di transizioni permesse tra i livelli energetici, e quindi frequenze caratteristiche a cui può emettere o assorbire fotoni. Per il radicale ossidrile si tratta esattamente delle righe visibili nel segnale del maser. Grazie a ciò, tutta la potenza non si disperde su altre lunghezze d’onda, e la concentrazione di energia permette all’emissione di emergere dal rumore di fondo anche da distanze enormi.
Per MeerKAT era solo un debole impulso nel rumore cosmico, eppure nel luogo di origine la luminosità del maser equivaleva a centinaia di migliaia di stelle simili al Sole. Per miliardi di anni il segnale si è indebolito, aggrovigliandosi nella fitta rete di campi gravitazionali e magnetici, ma ha conservato energia sufficiente per raggiungere gli strumenti sulla Terra. È una prova straordinaria delle capacità attuali della radioastronomia.
A cosa servono i gigamaser agli scienziati
I gigamaser non sono soltanto una curiosità cosmica nell’elenco delle scoperte spettacolari. Svolgono il ruolo di indicatori preziosi nello studio delle regioni remote dell’universo. Grazie a loro, gli astronomi possono:
- individuare i luoghi di intense collisioni e fusioni tra galassie
- studiare la distribuzione e la densità del gas interstellare in epoche lontane
- misurare le distanze cosmiche con precisione grazie alle frequenze delle righe molecolari
- verificare come sia cambiata l’attività di formazione stellare nel corso della storia dell’universo
- mappare la distribuzione dei radicali ossidrile
- analizzare la dinamica delle nubi gassose durante le collisioni
I maser funzionano quindi come fari cosmici, segnalando le zone dove si svolge qualcosa di energeticamente intenso — pur essendo essi stessi un semplice effetto collaterale di questi processi. Consentono di ricostruire il corso di eventi spettacolari come le collisioni tra galassie, senza bisogno di osservarli in tempo reale.
Cosa ci dicono i gigamaser sul futuro della radioastronomia
Con il tempo, MeerKAT diventerà parte di un progetto ancora più ambizioso: la rete di radiotelescopi nota come Square Kilometre Array. Strumenti di questo livello permetteranno di captare segnali ancora più deboli e di esplorare porzioni molto più ampie di cielo con alta risoluzione. Più gigamaser riusciremo a registrare, più accuratamente gli scienziati potranno ricostruire la storia delle fusioni galattiche, il ritmo di formazione delle stelle e il ruolo del gas in questi processi.
Tutto ciò influisce a sua volta sui modelli di evoluzione delle grandi strutture cosmiche, dalle singole galassie ai giganteschi superammassi. Per chi si interessa di tecnologia dei sensori, dei segnali o delle comunicazioni, un caso del genere offre una lezione affascinante: l’universo sfrutta naturalmente principi che nei laboratori cerchiamo di riprodurre con laser, amplificatori e filtri di frequenza.
I maser dimostrano come una banda stretta e una perfetta coerenza di fase possano trasformare una comune nube di gas in un potente trasmettitore visibile da miliardi di anni luce. Viene spontaneo chiedersi quanti altri processi naturali nell’universo attendano ancora di essere scoperti, e quali ispirazioni tecnologiche ne trarremo nei prossimi decenni.
