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Vi ‘Illustris’ l’evoluzione cosmica delle galassie

A partire dagli ultimi dieci anni, la nostra comprensione sull’origine dell’Universo è decisamente migliorata in maniera estremamente significativa, grazie in particolare alle osservazioni realizzate da satellite ma anche a quelle condotte da terra con gli strumenti di ultima generazione. Nonostante esse abbiano permesso di studiare la radiazione cosmica di fondo con una precisione molto elevata, dell’ordine di qualche percento ma sfortunatamente, dai quei primi centinaia di migliaia di anni fino ad oggi si tratta di un lavoro che continua appassionatamente.

Un istante della simulazione Illustris, in falsi colori, relativa alla formazione delle strutture cosmiche. L’immagine mostra una rete di filamenti e galassie come viene osservata oggi, all’interno di un campo di vista che si estende per circa 50 milioni di anni-luce. Credit: The Illustris Project

Secondo i modelli dell’evoluzione delle galassie, queste enormi strutture assieme alle loro stelle si sono formate a seguito dei processi di raffreddamento della materia distribuita lungo strutture a filamenti a partire da quell’epoca, ossia 380 mila anni dopo il Big Bang. Dopo l’età oscura dell’Universo, esse reionizzarono il gas idrogeno e continuarono ad evolvere interagendo l’una con l’altra man mano che lo spazio si espandeva costantemente. Le galassie più distanti sono deboli e difficili da osservare e nonostante le osservazioni abbiano contribuito a mettere insieme tutti i pezzi del puzzle, gli astronomi si sono serviti delle simulazioni numeriche per provare a completare il quadro. Esistono tre principali approcci teorici per studiare la frequenza delle interazioni galattiche (galaxy merger) che differiscono dal modo con cui esse modellano le galassie. Il primo approccio “disegna” le galassie sull’ambiente creato della materia scura (gli aloni) in modo da descrivere le osservazioni. Il secondo approccio modella la formazione galattica per mezzo di una semplice “ricetta matematica”, di nuovo facendo uso degli aloni di materia scura come colonna portante del modello. Il terzo approccio si basa, invece, su simulazioni idrodinamiche per modellare in maniera autoconsistente qualsiasi cosa (materia scura, il gas e le stelle).

Il poster della simulazione Illustris. Credit: The Illustris Project

Oggi, un gruppo di astronomi del Center for Astrophysics (CfA) di Harvard hanno sviluppato un nuovo quadro teorico per calcolare la frequenza delle interazioni galattiche in quello che viene chiamato Illustris Project, una simulazione idrodinamica che descrive la formazione delle galassie in volumi spaziali che si estendono per 300 milioni di anni-luce, una distanza cosmica abbastanza grande da replicare molte delle proprietà note delle galassie e degli ammassi sia localmente che a epoche primordiali. I risultati suggeriscono che per il volume di spazio utilizzato, l’autoconsistenza relativa alla distribuzione della materia ordinaria e al modello realistico di formazione galattica utilizzato, permettono alla simulazione Illustris di fornire un quadro preciso e senza precedenti del merger galattico nel corso del tempo cosmico. Gli astronomi trovano chiare evidenze sul fatto che il ritmo relativo al merging galattico decresce costantemente nel corso del tempo (la frequenza di merging 3 miliardi di anni dopo il Big Bang era circa 15 volte più elevata di oggi) e definiscono in maniera più adeguata il momento del collasso della materia all’epoca dell’interazione. Essi, però, riportano alcune differenze nette tra i loro risultati e quelli predetti da qualche altra teoria più popolare. La loro ricerca segna comunque l’inizio di una serie di studi alquanto dettagliati da cui si spera emergano preziosi indizi sull’evoluzione cosmica delle galassie.

CfA: The Cosmic Evolution of Galaxies
arXiv: The Illustris Simulation: Public Data Release
arXiv: The Merger Rate of Galaxies in the Illustris Simulation: A Comparison with Observations and Semi-empirical Models