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La prima mappa 3D della ‘rete cosmica’ primordiale

Un gruppo di astronomi guidati dai colleghi del Max Planck Institute for Astronomy hanno realizzato la prima mappa tridimensionale dell’Universo distante che risale ad appena 3 miliardi di anni dopo il Big Bang. La mappa, costruita a partire dai dati raccolti con i telescopi del Keck Observatory, si estende per 100 milioni di anni-luce e fornisce preziosi indizi sulle strutture galattiche che sono ‘inserite’, si fa per dire, nella cosiddetta ‘rete cosmica‘.

L’immagine mostra la ‘rete cosmica’ tridimensionale ad una distanza di 10,8 miliardi di anni-luce. La mappa è stata ottenuta analizzando le ‘tracce’ lasciate dal gas idrogeno osservate nello spettro di 24 galassie distanti che si trovano al di là del volume di spazio in questione. Si tratta della prima volta che vengono mappate direttamente queste strutture cosmiche in una regione così distante dell’Universo. I falsi colori rappresentano la densità del gas idrogeno che segue la ‘rete cosmica’ (i colori più accesi indicano regioni a densità più elevata). Credit: C. Stark (UC Berkeley) e Khee-Gan Lee (MPIA).

La distribuzione della materia su larga scala è disposta lungo una rete di strutture a filamenti che si alternano a vuoti, nota come ‘rete cosmica’, che si estendono per centinaia di milioni di anni-luce. La materia scura, che non emette luce, costituisce la ‘spina dorsale’ della ‘rete cosmica’, nella quale si trova diffuso il gas idrogeno ‘primordiale’ residuo del Big Bang. Le galassie, come la nostra Via Lattea, sono incorporate all’interno della ‘rete cosmica’ e costituiscono solo una piccola frazione del suo volume. Un gruppo di astronomi guidati da Khee-Gan Lee dell’Istituto Max Planck per l’Astronomia, hanno realizzato una mappa dell’assorbimento dell’idrogeno costruendo una sezione tridimensionale dell’Universo lungo una distanza di 11 miliardi di anni-luce, la prima volta che la ‘rete cosmica’ viene mappata fino ad una tale profondità. Ora, dal momento che le osservazioni di tali enormi distanze significano guardare indietro nel tempo, la mappa permette di rivelare indirettamente le prime fasi della formazione delle strutture cosmiche, quando cioè l’Universo aveva solo un quarto della sua età attuale, all’epoca in cui le galassie subirono un importante ‘picco evolutivo’.

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Ricostruzione tomografica dell’assorbimento della ‘Lyα forest’ mostrata in tre sezioni tridimensionali del redshift.. La scala di colori rappresenta la trasmissione dell’assorbimento tale che valori negativi (rosso) corrispondono a densità maggiori. Credit: Lee et al. 2014

La mappa è stata creata usando come sorgenti di luce le galassie deboli di fondo, a fronte delle quali il gas idrogeno può essere osservato per mezzo delle caratteristiche righe di assorbimento. Le lunghezze d’onda di ciascuna riga permettono di evidenziare la presenza del gas ad una determinata distanza da noi. Dunque, combinando tutte le misure all’interno del campo di vista, gli scienziati hanno determinato la distribuzione delle gigantesche strutture filamentose che si estendono lungo distanze cosmiche dell’ordine di milioni di anni-luce, aprendo così la strada a tutta una serie di ricerche che permetteranno di studiare non solo la struttura della ‘rete cosmica’ ma anche il modo con cui il gas ‘incontaminato’ viene diffuso lungo le gigantesche strutture nelle galassie, fornendo così la materia prima per la formazione di stelle e pianeti. Utilizzare la luce delle galassie distanti per questo scopo era stato ritenuto impossibile con i telescopi attuali fino a quando Lee eseguì una serie di calcoli che suggerivano il contrario. Per garantire il miglior successo, Lee ei suoi colleghi hanno ottenuto tempo di osservazione al Keck Observatory che è la sede dei due telescopi più grandi e scientificamente produttivi del mondo. Nonostante il cattivo tempo che ha limitato le osservazioni  per solo 4 ore, la qualità dei dati raccolti con lo spettrografo LRIS, montato sul telescopio Keck I, era senza precedenti. Grazie al suo gigantesco specchio di 10 metri, il telescopio Keck I ha raccolto abbastanza luce dalle 24 galassie selezionate dai ricercatori che sono più di 15 miliardi di volte più deboli rispetto alle stelle più deboli visibili ad occhio nudo. Queste galassie di fondo hanno garantito una copertura sufficiente e limitata ad una piccola porzione di cielo in modo da essere successivamente combinate per ottenere una mappa tridimensionale della struttura cosmica. Inoltre, a causa della grande quantità di dati, Casey Stark e Martin Bianco (UC Berkeley e del Lawrence Berkeley National Lab) hanno messo a punto un nuovo algoritmo di calcolo veloce che ha permesso di creare la mappa in pochi minuti.

Keck Observatory: Scientists Build First Map of Hidden Universe
MPIA: 'CT Scan' of Distant Universe Reveals Cosmic Web in 3D
arXiv: Lyman-alpha Forest Tomography from Background Galaxies: The First Megaparsec-Resolution Large-Scale Structure Map at z>2