A. Varie epoche della storia cosmica, a sinistra, e analisi da diversi tipi di survey cosmologiche, a destra
Lo studio delle proprietà globali dell’Universo pone ancora molte domande aperte su diverse questioni fondamentali, che vanno dalla sua geometria, i suoi costituenti e la legge di espansione, fino all’origine ed evoluzione delle strutture cosmiche, del mezzo diffuso e degli oggetti legati gravitazionalmente. La ricerca cosmologica all’IRA riguarda argomenti sperimentali, osservativi e teorici. L’IRA è fortemente impegnato nello studio dell’emissione del fondo cosmico e nelle indagini cosmologiche condotte a diverse frequenze, che sono cruciali per comprendere l’evoluzione dell’Universo dalle sue prime fasi fino ai giorni nostri, compresa la storia termica e di ionizzazione dagli albori fino all’epoca della riionizzazione.
Staff di ricerca: G. Bernardi, C. Burigana, E. Carretti, F. Chierici
Collaboratori: T. Trombetti
Radiazioni di fondo
B. Mappa a tutto cielo delle anisotropie di temperatura del fondo cosmico a microonde
L’analisi delle radiazioni di fondo, sia di origine intrinsecamente diffusa sia risultante dal contributo combinato di singole sorgenti non risolte, è di crescente rilevanza in cosmologia. In IRA la ricerca nell’ambito della radiazione di fondo radio è orientata allo studio dei vari segnali attesi dalle fasi primordiali dell’Universo fino all’epoca della rionizzazione, al fondo generato dalle popolazioni di sorgenti e a possibili fenomeni di non equilibrio. Gli studi sul fondo cosmico a microonde sono orientati alle nuove linee di ricerca rappresentate dall’analisi congiunta della temperatura e dell’anisotropia di polarizzazione, inclusi i modi B da onde gravitazionali primordiali, e delle delle piccole deviazioni dallo spettro di corpo nero. L’interesse dell’IRA è anche rivolto alla radiazione di fondo nel lontano infrarosso, in quanto fornisce una visione unica della fase dell’evoluzione galattica caratterizzata dalla formazione stellare oscurata dalla polvere.
Cosmologia osservativa
L’IRA è fortemente coinvolto nelle survey cosmologiche dei background diffusi e delle distribuzioni delle galassie, strumenti di indagine cruciali per lo studio dei processi fisici avvenuti alle diverse epoche cosmiche, i modelli cosmologici e i loro parametri. L’Istituto contribuisce attivamente agli attuali progressi nella realizzazione di survey radio con diversi strumenti (ad esempio precursori e pathfinders di SKA, come LOFAR, ATCA e JVLA) e agli studi di cosmologia e fisica fondamentale per le future survey con SKA. Lo staff IRA sta lavorando alla survey ottica/infrarossa che si prevede di effettuare nei prossimi anni con il satellite Euclid dell’ESA. Continuando l’analisi scientifica dei dati del satellite Planck, integrati dalle osservazioni ad alta risoluzione di ALMA, i ricercatori IRA lavorano a future missioni dalle microonde al lontano infrarosso, principalmente in ambito ESA.
Dalle “epoche oscure” alla riionizzazione cosmologica
Dopo l’era della ricombinazione l’Universo ha attraversato un’epoca quasi neutra e oscura, seguita da una fase in cui la radiazione e l’energia termica prodotte dalle prime stelle e galassie erano in grado di riionizzare la materia diffusa. I ricercatori dell’IRA sono particolarmente interessati allo studio della riga a 21 cm dell’idrogeno neutro, spostata a più basse frequenze a causa dell’espansione dell’Universo, sia nel mezzo diffuso che nelle galassie. Il segnale globale, le fluttuazioni e la mappatura della riga a 21 cm forniscono informazioni tomografiche delle prime epoche dell’Universo. La materia ionizzata, sia nel mezzo intergalattico sia nelle strutture legate, produce invece emissioni radio libero-libero accoppiate a distorsioni di comptonizzazione e anisotropie, specie in polarizzazione, che vengono studiate nel fondo cosmico radio, a microonde e sub-millimetrico. IRA è fortemente coinvolto in alcuni progetti su questa tematica, come LEDA, HERA, LOFAR, SKA, Planck e le future missioni per lo studio della CMB.
Emissioni astrofisiche di origine galattica e locale
C. Mappa S-PASS dell’intensità totale a 2.3 GHz
La comprensione dei deboli segnali contenuti nelle survey cosmologiche richiede una migliore conoscenza delle emissioni astrofisiche, in intensità totale e polarizzazione, frapposte tra i segnali cosmologici e l’osservatore. L’IRA è fortemente interessato alla mappatura e modellizzazione del sincrotrone galattico e delle emissioni libero-libero in banda radio, ad esempio tramite le surveys GMIMS e S-PASS, e al loro confronto con i risultati ottenuti a frequenze più alte, ad esempio da C-BASS, QUIJOTE e da missioni spaziali – come COBE, IRAS, WMAP e Planck – che permettono di studiare anche le emissioni da polvere galattica e zodiacale. Su scale angolari inferiori al grado, le sorgenti extragalattiche e gli ammassi di galassie, attraverso l’effetto Sunyaev-Zel’dovich, producono il segnale astrofisico più rilevante. La ricerca presso l’IRA è rivolta all’approfondimento della conoscenza dei loro conteggi, funzioni di luminosità, polarizzazione, evoluzione e proprietà di correlazione, emissione integrata e fluttuazioni.
Metodi
D. Predizione dell’anisotropia indotta dal moto del baricentro del Sistema Solare in presenza di distorsioni spettrali: esempio della mappa di ottupolo (in coordinate Galattiche e temperatura termodinamica equivalente) a ≅ 60 GHz in termini della differenza con il caso di corpo nero, per una distorsione di comptonizzazione associata alla reionizzazione
La ricerca cosmologica all’IRA viene svolta sviluppando metodi di previsione e modellizzazione teorica, di simulazione dei segnali del cielo e degli effetti strumentali e osservativi, e di analisi di dati simulati e reali. Un elenco non esaustivo comprende: metodi analitici e codici numerici per la modellizzazione di spettri di potenza e in frequenza del fondo radio e a microonde; modellizzazione delle emissioni della nostra galassia e metodi di separazione delle componenti; metodi per combinare mappe ad alta risoluzione ottenute per via interferometrica con mappe coerenti basate su osservazioni con singoli telescopi; metodi per estrarre informazioni su sorgenti puntiformi al di sotto del livello di rilevabilità della survey; metodi per stimare spettri di potenza e parametri; modellizzazione e analisi di mappe del cielo in espansione di multipoli.
Crediti
Figura A: Delabrouille et al. 2019, arXiv:1909.01591, “Microwave Spectro-Polarimetry of Matter and Radiation across Space and Time”, Figura 6; cortesia E. Kovetz
Figura B: Planck Collaboration 2020, A&A, 641, A1, “Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck”, adattata da Figura 6. DOI: 10.1051/0004-6361/201833880
Figura C: Carretti et al. 2019, MNRAS, 489, 2330, “S-band Polarization All-Sky Survey (S-PASS): survey description and maps”, Figura 21. DOI: 10.1093/mnras/stz806
Figura D: Trombetti et al. 2020, arXiv:2007.02292, “Effects of observer peculiar motion on the isotropic background frequency spectrum: from monopole to higher multipoles”, Figura 10