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Le galassie ‘rifatte’ al computer

Perchè le galassie hanno la forma che vediamo? Lo schema di classificazione delle galassie di Hubble ci dice sostanzialmente che le galassie possono essere disposte secondo una sequenza che va dalle galassie ellittiche alle galassie a spirali. Esiste poi una classe di galassie intermedie che non hanno una forma ben precisa per cui vengono chiamate irregolari. Si tratta però di una classificazione soggettiva che permise allo stesso Hubble di classificare le galassie in base al metodo “ciò che vedo chiamo”. Di fatto, se diamo uno sguardo d’insieme alla Hubble Deep Field (HDF) notiamo che le galassie hanno varie forme e dimensioni. Ma perché deve essere così?

Gli astronomi non hanno saputo dare una spiegazione a tale domanda finchè due ricercatori hanno studiato di recente la storia evolutiva delle galassie costruendo un modello che ha permesso di chiarire, per così dire, lo schema di Hubble. Tutto questo è stato possibile grazie all’introduzione, nel modello, della materia scura e del fenomeno della fusione delle galassie (merging).

Andrew Benson del Caltech e Nick Devereux della Embry-Riddle University in Arizona hanno elaborato i dati della missione Two Micron All Sky Survey (2MASS) , che opera nella banda infrarossa, mediante un sofisticato modello in computer grafica. Il modello ha riprodotto la storia evolutiva dell’Universo negli ultimi 13 miliardi di anni ma la cosa sorprendente è stato il fatto che il modello ha riprodotto non solo le forme ma anche il numero delle galassie. Assumendo che le galassie siano immerse in aloni di materia scura i due ricercatori hanno tenuto conto di questo dato per rappresentare la formazione e l’evoluzione delle galassie. Ad esempio, nel caso della Via Lattea, una spirale barrata, si è visto che la sua storia evolutiva è stata abbastanza complessa e caratterizzata da collisioni minori e da al meno un episodio in cui il disco interno è collassato per formare la struttura centrale a barra.

Dunque, secondo il modello di Benson e Devereux le classi delle galassie derivano da storie evolutive diverse per cui il passo successivo sarà quello di studiare le galassie più distanti, una volta lanciato il telescopio spaziale James Webb, e confrontare i dati osservati con quelli previsti dal modello.

La nostra galassia è circondata da un alone di materia scura

Abbiamo da sempre saputo che la Via Lattea, la nostra galassia, ha la forma di un disco a spirale, ma in realtà dobbiamo dire che non è così se teniamo conto della distribuzione di materia scura, quella componente di materia non visibile e misteriosa che costituisce meno di un quarto di ciò che è fatto l’Universo e di cui gli astronomi ignorano ancora la sua vera natura. La notizia recente è che l’alone di materia scura che avvolge la Via Lattea, e che rappresenta quasi il 70% della massa galattica, ha la forma di un pallone da spiaggia schiacciato.

Anche se la materia scura è completamente invisibile, tuttavia sappiamo che essa è soggetta alle leggi della gravità e questo ci permette di verificare l’esistenza degli aloni di materia scura, e dunque la loro forma, tracciando le orbite delle galassie nane che orbitano attorno alla Via Lattea. Ora, per tracciare l’orbita di un oggetto occorre misurare la sua posizione in diversi punti. Sfortunatamente, le galassie nane impiegano almeno un miliardo di anni per compiere un orbita completa attorno alla Via Lattea. Per fortuna, però, gli astronomi non devono aspettare così tanto tempo. Infatti, le galassie nane sono fatte anch’esse da miliardi di stelle. Dunque, quando le forze di marea dovute ad una galassia gigante, come la nostra, agiscono su una galassia nana, il risultato è la formazione di una “scia di stelle” che seguono l’orbita della galassia nana. Un gruppo di ricercatori guidati da David Law, dell’Università della California a Los Angeles, è stato in grado di ricostruire l’orbita della galassia nana Sagittario. C’era però un problema perché dato che parti diverse della galassia nana seguivano orbite diverse ciò ha portato alla ricostruzione di un alone di materia scura caratterizzato da forme diverse. Infatti, utilizzando modelli tri-assiali per ricostruire appunto la forma dell’alone galattico, il risultato migliore che essi hanno ottenuto è una forma geometrica che ricorda un pallone da spiaggia con i lati leggermente schiacciati.

Law e collaboratori sperano di poter monitorare le orbite delle altre galassie nane per definire ancora meglio il loro modello e studiare dalla particolare forma dell’alone galattico come mai la nostra galassia ha assunto la sua attuale orientazione spaziale.

L’energia scura e la costante cosmologica

L’orientazione delle coppie galattiche, che dovrebbe essere casuale, potrebbe aiutare gli astronomi a rivelare distorsioni nello spaziotempo causate dall’espansione dell’Universo.
Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Uno dei problemi affrontati da Einstein fu quello di capire se l’Universo fosse statico o in espansione. Infatti, introducendo la massa come protagonista principale della sua teoria generale della relatività, ci si aspettava che tutta la materia sarebbe collassata in un unico “punto” per l’effetto della mutua attrazione gravitazionale. Ma come mai questo non accadeva e cos’era che lo impediva?

Nel 1917, l’idea di Einstein fu quella di introdurre nelle equazioni della relatività generale un termine costante, chiamato successivamente la costante cosmologica, che aveva gli effetti di una forza repulsiva, per contrastare la gravità e rendere, per così dire, statico l’Universo. Sebbene Einstein cercò di scoprire il significato più profondo di questo termine egli affermò che la sua presenza nelle equazioni della relatività fu il “suo più grande errore” nel momento in cui venne a conoscenza dei risultati di Edwin Hubble sull’espansione dell’Universo. Di fatto, la teoria della relatività generale considerava un Universo non statico ma in espansione anche se lo stesso Einstein non riteneva ci fosse mai stato un momento della creazione. Insomma, nonostante le sue radicali convinzioni, la teoria di Einstein descriveva un Universo dinamico che un tempo doveva essere molto più piccolo, ancora molto più piccolo delle dimensioni di un atomo, un’idea che si adattava bene a quello che più tardi sarà chiamato il modello del Big Bang (vedasi Idee sull’Universo).

Oggi, due ricercatori francesci, Christian Marinoni e Adeline Buzzi, riportano le analisi relative alle osservazioni di alcune coppie di galassie distanti. I ricercatori hanno utilizzato un approccio diverso al cosiddetto test Alcock-Paczynski e si sono concentrati sull’allineamento individuale di centinaia di coppie di galassie, analizzando un campione di 721 coppie di galassie vicine della SDSS confrontando le loro velocità di recessione con quelle di un campione di 509 coppie di galassie più distanti della DEEP2 redshift survey. “L’orientazione di queste binarie galattiche dovrebbe apparire casuale nello spazio. Tuttavia la geometria dello spazio e l’espansione dell’Universo possono deformare le orientazioni apparenti” spiega Marinoni. Senza introdurre le dovute correzioni, queste orientazioni spaziali possono presentarsi distorte a causa del redshift che dipende da come si sta espandendo l’Universo. Correggendo per l’effetto geometrico e tenendo conto dell’energia scura, i ricercatori sono arrivati ad ottenere un modello nel quale le coppie galattiche vengono osservate in tutte le direzioni. Ciò ha permesso di confermare due “dogmi” del modello cosmologico standard: 1) che lo spazio è geometricamente piatto e 2) che è dominato dalla misteriosa energia scura, che si comporterebbe come la famosa costante cosmologica di Einstein.

Nonostante ciò, il cosmologo Michael Turner dell’Università di Chicago è un pò cauto nell’accettare questi risultati e suggerisce ulteriori ricerche prima che possa essere confermata, o meno, questa ipotesi.

[Abstract: A geometric measure of dark energy with pairs of galaxies]

Gli enigmi dell’asimmetria barionica e della materia scura spiegati con l’ilogenesi

E’ a tutti noto che l’Universo è principalmente composto da energia scura e da materia scura, due misteriose componenti di cui non sappiamo ancora nulla sulla loro effettiva origine e natura, e solo il 4% circa si trova sottoforma di materia normale, cioè la materia barionica che costituisce gli atomi. A questi misteri se ne aggiunge un altro relativo all’asimmetria materia-antimateria. Tuttavia, alcuni fisici hanno proposto di recente un meccanismo che potrebbe spiegare, simultaneamente, l’asimmetria barionica e la materia scura.

Gli scienziati Hooman Davoudiasl del Brookhaven National Laboratory in Upton, a New York, David Morrissey e Sean Tulin del TRIUMF a Vancouver, nel British Columbia e Kris Sigurdson dell’University of British Columbia, in Vancouver, hanno pubblicato i risultati di una ricerca relativa ad un meccanismo fisico che essi hanno denominato “ilogenesi”, un termine che deriva da due parole del greco e cioè “ilo”, che significa materia primordiale, e “genesi” che vuol dire appunto origine. “Ci sono due problemi in fisica teorica che devono essere ancora risolti” dichiara Sigurdson. “L’asimmetria barionica, cioè il fatto che abbiamo atomi e non antiatomi nell’Universo, è stato un problema sin da quando Paul Dirac propose l’esistenza dell’antimateria nel 1928 e che poi venne scoperta più tardi, nel 1932. L’altro problema riguarda la materia scura. Le prime evidenze risalgono, storicamente, all’analisi dell’ammasso di Coma da parte di Fritz Zwicky nel 1933 e finora rimane un mistero irrisolto. Il meccanismo fisico da noi proposto suggerisce la formazione della materia normale e della materia scura e permette di risolvere il mistero dell’asimmetria barionica“.

Proviamo a spiegarlo. Supponiamo che nello scenario in cui si forma la materia, una nuova particella X e la sua antiparticella X (ics barrato), che hanno cariche uguali ma di segno opposto, vengano prodotte durante le fasi iniziali della storia dell’Universo. X e X sono in grado di accoppiarsi con i quark, che sono le componenti fondamentali della materia barionica, ossia protoni e neutroni, che fanno parte della materia visibile così come di quella non visibile. In tale scenario, X e X sarebbero state prodotte quando la temperatura dell’Universo si è innalzata subito dopo la fase inflazionarla, cioè nei primissimi istanti iniziali subito dopo il Big Bang. Successivamente, X e X si sono trasformate in particelle barioniche visibili e in parte in particelle barioniche non visibili. Però, le particelle X si trasformarono in neutroni con una frequenza maggiore di quanto le rispettive particelle X si trasformarono in antineutroni. Dunque le particelle X si trasformarono in antiparticelle non visibili più di quanto le particelle X si trasformarono in particelle non visibili. In questo modo, i quark costituirebbero la materia barionica di cui è fatto tutto ciò che vediamo mentre gli antibarioni non visibili costituirebbero ciò che chiamiamo materia scura. Nel processo di decadimento, il numero barionico positivo della materia visibile è bilanciato dal numero barionico negativo della materia scura.

Le densità di energia associate alla materia visibile e alla materia scura sono veramente molto vicine, differiscono solo di un fattore 5” dice Tulin. “Questo fatto costituisce una buona coincidenza e potrebbe essere un segnale del fatto che sia la materia visibile che la materia scura abbiano una origine comune“. Per verificare tutto ciò, gli scienziati stanno pianificando nuovi esperimenti in cui dal decadimento dei nucleoni si possano rivelare indizi importanti sulla esistenza di materia scura dato che il processo stesso rappresenta un segnale distintivo del meccanismo da essi proposto.

[Abstract: Unified Origin for Baryonic Visible Matter and Antibaryonic Dark Matter]

Cosa avviene in prossimità di un buco nero

Il disco di accrescimento ripreso da HST nella galassia attiva NGC 4261.
Credit: Hubble Space Telescope Science Institute

E’ quello che si sono chiesti alcuni ricercatori del Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg che hanno collaborato con i colleghi del Helmholtz Zentrum di Berlino utilizzando lo strumento chiamato BESSY II synchrotron X-ray source allo scopo di investigare ciò che succede in prossimità di un buco nero.

I buchi neri sono oggetti estremamente “voraci”. Essi catturano enormi quantità di materia sia dal gas che dalle stelle che orbitano nelle loro vicinanze. Man mano che la materia si accresce, essa alimenta il buco nero che diventa perciò più denso e massiccio, riscaldandosi fino a temperature dell’ordine di alcuni milioni di gradi Celsius. Prima che la materia scompaia definitivamente, essa produce una intensa emissione di raggi-X. Questo “ultimo respiro” si origina dal ferro, uno degli elementi che è contenuto nella proprio nella materia che sta per scomparire.

Per studiare i buchi neri è necessario osservarli in azione. La parte più interessante di questi processi è proprio quella che avviene prima che la materia scompaia definitivamente al di là dell’orizzonte degli eventi, cioè quella regione oltre la quale la gravità del buco nero è così elevata che nemmeno la luce riesce a sfuggire. Durante questo processo, la materia si trova in condizioni estreme e le forti turbolenze producono raggi-X che, a loro volta, eccitano alcuni elementi chimici presenti nella nube di materia in accrescimento. Quest’ultimo processo genera ancora raggi-X il cui spettro presenta righe di emissione, o “colori”, caratteristici. L’analisi di queste righe fornisce informazioni sulla densità, velocità e composizione chimica del plasma presente in prossimità dell’orizzone degli eventi. Un protagonista principale di questi processi estremi è il ferro. Sebbene non sia così abbondante come gli elementi più leggeri, come l’idrogeno e l’elio, il ferro è il miglior “assorbitore” e “riemettitore” di raggi-X. I fotoni più energetici che vengono generati dal processo si distinguono dagli altri perché possiedono un “colore” differente. Insomma, essi lasciano una sorta di “impronta” nello spettro della radiazione e si evidenziano sottoforma di righe intense: la cosiddetta riga K-alpha del ferro rappresenta una sorta di “segnale finale” della materia prima che essa sparisca definitivamente al di là dell’orizzonte degli eventi. Successivamente, i raggi-X vengono assorbiti una volta che essi interagiscono con il mezzo interstellare a distanze maggiori. Ancora una volta, il ferro lascia una “traccia” nello spettro. La radiazione ionizza gli atomi varie volte e il processo di fotoionizzazione strappa via, per così dire, più della metà dei 26 elettroni che contengono di solito gli atomi di ferro. Il risultato finale produce ioni altamente carichi che sono generati non dalle collisioni ma dalla radiazione incidente di alta energia.

E’ proprio questo processo che i ricercatori hanno riprodotto in laboratorio. Atomi di ferro sono stati portati ad alte temperature grazie all’emissione di un intenso fascio di elettroni così come sarebbero stati prodotti dal Sole o, in questo caso, nelle regioni dello spazio prossime al buco nero. I risultati ottenuti dall’esperimento hanno permesso di identificare un metodo che fornisce misure accurate in termini di risoluzione spettrale. Inoltre, l’esperimento si è rivelato estremamente importante perché permette di comprendere come si comporta la materia, o meglio il plasma, in quelle regioni dello spazio che circondano un buco nero o un nucleo galattico attivo.

[Abstract: Resonant and Near-Threshold Photoionization Cross Sections of Fe14+]