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Dalle stelle più antiche, una nuova visione dell’Universo primordiale

Da sempre, gli astronomi tentano di esplorare le regioni più remote dell’Universo sia attraverso i telescopi ottici, situati a terra e nello spazio, che mediante i più potenti radiotelescopi. In un recente articolo apparso su Nature, un gruppo di ricercatori suggeriscono che potrebbe essere molto più semplice studiare le fasi primordiali della storia evolutiva dell’Universo andando ad osservare le tracce relative alla formazione delle prime stelle e galassie.

Utilizzando una serie di modelli numerici, i ricercatori hanno simulato la formazione delle stelle primordiali che successivamente si sono aggregate dando luogo a strutture sempre più complesse. La chiave di queste simulazioni è stata l’introduzione di una scoperta del 2010 in base alla quale la materia ordinaria, come ad esempio il gas idrogeno, e la materia scura, che rappresenta l’80% circa della materia presente nello spazio, si muovono con velocità differenti. Le strutture più complesse che assumono la forma di rete possiedono quegli elementi caratteristici da cui possiamo ricavare gli indizi sulla formazione delle stelle primordiali. Naturalmente, gli astronomi che danno la caccia, per così dire, alle prime stelle non osserveranno mai le vere stelle iniziali ma potranno vedere solo le ‘tracce’ della loro esistenza: una di queste è rappresentata dall’emissione della riga di 21cm dell’idrogeno neutro che viene ‘riscaldato’ dalla radiazione stellare. Dunque, le simulazioni suggeriscono un metodo per identificare le stelle primordiali andando a studiare aree di cielo in cui le fluttuazioni dell’emissione dell’idrogeno neutro alla lunghezza d’onda di 21cm sono maggiori. Ma ci sono dei problemi osservativi: nonostante non occorrano telescopi con un elevato potere esplorativo per rivelare le strutture a forma di rete, tuttavia la radiazione proveniente dalle stelle più antiche è spesso oscurata dalla radiazione di fondo prodotta dalla Via Lattea e dalle galassie vicine. Ad ogni modo, le simulazioni indicano che sarebbe possibile studiare le prime stelle quando l’Universo aveva una età pari a 180 milioni di anni dopo il Big Bang. Gli strumenti attuali ci permettono di osservare ancora gli oggetti appena 800 milioni di anni dopo la nascita dell’Universo. Dato che le strutture cosmiche si sono formate in maniera gerarchica, studiare la formazione delle prime stelle diventa di fondamentale importanza per comprendere come si sono evoluti gli oggetti più complessi, come le galassie o gli ammassi di galassie che osserviamo oggi.

[Press release: Stars in the making. Research may sharpen view of developing universe]

Il mistero della massa mancante secondo Lawrence Krauss

Il libro che voglio segnalare oggi è Il mistero della massa mancante nell’Universo di Lawrence Krauss, edito da Raffaello Cortina. Il termine massa mancante risale agli anni ’30 quando l’astronomo svizzero Fritz Zwicky, eseguendo una serie di osservazioni al telescopio su alcune classi di galassie nell’ammasso di Coma, aveva notato che, oltre alle stelle, ci doveva essere qualcosa in più che non era possibile rivelare e che fosse tale da determinare una maggiore attrazione gravitazionale sulle galassie vicine. Ma negli anni ’70, Ostriker e Peebles rielaborarono i dati di Fritz Zwicky e ottennero risultati più consistenti se veniva introdotta una quantità di materia extra almeno 10 volte maggiore di quella prevista dall’astronomo svizzero. Nel 1974, essi pubblicarono un articolo dove affermavano, in definitiva, che la struttura delle galassie non poteva essere descritta senza tener conto della materia scura.

Sebbene la comunità scientifica non era preparata ad accogliere i risultati di Ostriker e Peebles, le idee cambiarono ben presto grazie all’importante lavoro eseguito negli anni successivi da Vera Rubin . Oggi sappiamo che non è tutto ciò che brilla nella luce che caratterizza il contenuto di materia presente nell’Universo piuttosto ciò che si nasconde nell’oscurità. Uno dei grandi misteri della cosmologia moderna è proprio quello di studiare e di individuare la materia mancante che rappresenta quasi il 96% di tutto ciò di cui è fatto l’intero Universo. Nel libro, Krauss abbraccia gli ultimi risultati sulle supernovae distanti e le problematiche relative all’esistenza di una costante cosmologica per l’elaborazione di un “nuovo modello cosmologico standard”. Un’altra questione riguarda il fatto che assumiamo l’Universo omogeneo ma quando osserviamo la distribuzione della materia visibile, cioè la materia ordinaria, notiamo che è fortemente concentrata per formare delle strutture che osserviamo come galassie  o ammassi di galassie  che si ritiene siano distribuite su una sorta di scheletro formato da materia scura che permea tutto lo spazio. Krauss spiega bene il problema della materia scura e discute criticamente alcuni risultati sperimentali mostrando che il suo modello è in grado di tener conto di princìpi fisici comprensibili. La ricerca di materia scura nell’Universo è attualmente una priorità della moderna cosmologia e Krauss ci apre una porta ad un problema alquanto curioso e affascinante, tutt’altro che risolto.

Lo ‘spin’ dei buchi neri e la formazione dei getti

Una immagine ottica della galassia ellittica gigante M87 che ospita un buco nero supermassiccio. Nell’immagine si osserva anche un getto di materia che si diparte dal nucleo della galassia. M87 fa parte di un ammasso di galassie. Alcuni recenti dati indicano che la rotazione del buco nero alimenti il getto.
Credit: Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, U. Arizona

I buchi neri supermassicci, oggetti la cui massa va da qualche milione a qualche miliardo di masse solari, si trovano nei nuclei delle galassie attive dove essi sono responsabili di alcuni fenomeni spettacolari visibili nell’Universo. Le condizioni ambientali possono, ad esempio, generare dei getti relativistici di particelle che si estendono nello spazio per migliaia di anni-luce. Si ritiene che queste strutture, scoperte inizialmente alle lunghezze d’onda radio, siano alimentate dalla materia che si accresce attorno al buco nero. I processi fisici che portano alla formazione dei getti sono tra i più importanti dibattuti nell’ambito della moderna astrofisica.

Uno dei meccanismi principali che si pensa guidi il processo che genera il flusso di particelle a formare i getti è l’accrescimento di materia attorno al buco nero, durante il quale emergono una serie di fenomeni di emissione di radiazione che alimentano appunto i getti. Ma i buchi neri possono ruotare e un singolo buco nero può immagazzinare una tale quantità di energia pari a quella emessa dalla Via Lattea nel corso della sua vita, o forse più. Brian McNamaraMina Rohanizadegan e Paul Nulsen hanno esaminato questa enorme sorgente di energia per verificare se essa sia in grado di alimentare i getti. I ricercatori hanno esaminato ammassi di galassie che presentano una attività associata alla presenza di buchi neri. Confrontando i dati con il loro modello, essi hanno trovato che la rotazione del buco nero è consistente con le osservazioni anche se non necessariamente migliore del modello del disco di accrescimento. Nonostante occorreranno ulteriori dati per discriminare quale dei due scenari sia più efficiente per alimentare i getti, questi risultati indicano che la rotazione dei buchi neri è in generale un parametro che bisogna considerare.

ArXiv: Are Radio AGN Powered by Accretion or Black Hole Spin?

Identificato l’ammasso di galassie più distante mai osservato

E’ quanto dichiarano un gruppo di astronomi giapponesi che affermano di aver osservato un ammasso di galassie a 12,72 miliardi di anni-luce grazie al potente telescopio Subaru situato nelle Hawaii. La scoperta suggerisce il fatto che ad appena un miliardo di anni dopo il Big Bang si era già formato un ammasso di galassie. Questo “protoammasso” di galassie aiuterà gli scienziati a capire non solo come si formano le singole galassie ma a comprendere anche l’evoluzione primordiale dell’Universo. Nonostante sia stata annunciata in precedenza l’identificazione di un altro ammasso di galassie da parte del telescopio spaziale Hubble a circa 13,1 miliardi di anni-luce [press release], tale scoperta deve essere ancora confermata.

CLASH, un ‘censimento’ cosmico

Un gruppo di astronomi hanno iniziato una campagna di osservazioni di 25 ammassi di galassie per studiare la distribuzione della materia scura, quella componente misteriore che costituisce quasi il 23% del contenuto materia-energia del cosmo. Gli ammassi di galassie rappresentano un importante strumento d’indagine in cosmologia poichè da essi gli scienziati ottengono informazioni dettagliate sulla distorsione delle immagini delle galassie più distanti, quindi sulla natura e le proprietà dello spaziotempo e in definitiva sull’espansione dell’Universo. Questo programma, che sarà realizzato grazie al telescopio spaziale Hubble, si chiama CLASH (Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble) e servirà per costruire un database di ammassi di galassie che sono i responsabili, per così dire, del fenomeno della lente gravitazionale e per porre dei limiti più stringenti ad alcuni parametri cosmologici fondamentali.

ArXiv: THE CLUSTER LENSING AND SUPERNOVA SURVEY WITH HUBBLE: AN OVERVIEW

Le galassie hanno smesso di ‘crescere’ circa 7 miliardi di anni fa

Nell’ammasso di galassie Abell 2218, la galassia più brillante appare sottoforma di arco color arancione.
Credit: NASA, ESA, Johan Richard (Caltech, USA)

Una delle domande ancora aperte nell’ambito della moderna cosmologia riguarda la formazione e l’evoluzione delle galassie. Secondo alcuni modelli, le fluttuazioni di densità della materia, che possiamo rivelare oggi come piccole variazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo, hanno dato luogo alle galassie più piccole che nel corso del tempo cosmico si sono fuse per formare le galassie di dimensioni più grandi. Un gruppo di ricercatori della Liverpool John Moores University ha analizzato i dati relativi alle galassie più massicce che conosciamo, note come Brightest Cluster Galaxies (BCGs), ossia le galassie più brillanti in un ammasso. I dati suggeriscono che l’evoluzione delle galassie si sia arrestata circa 7 miliardi di anni fa. Questi risultati aprono una nuova finestra sui modelli che tentano di spiegare la formazione e l’evoluzione delle strutture su larga presenti nell’Universo.

Insomma, pare che i cosmologi non abbiano ancora gli ingredienti fondamentali di cui hanno bisogno per capire come si sono formate le galassie e come si sono evolute nel tempo cosmico fino ai nostri giorni.

ArXiv: Little change in the sizes of the most massive galaxies since z = 1

Quanto è ‘scura’ la materia scura?

Un gruppo di ricercatori dell’Università della Florida ha trascorso quasi dieci anni a monitorare un esperimento che utilizza rivelatori al germanio e al silicio, raffreddati fino a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto, allo scopo di studiare la materia scura. Il risultato? Forse si è trovato qualcosa che suggerisce di continuare la ricerca.

Per capire gli effetti dovuti alla presenza della materia scura basta dare una occhiata, ad esempio, al Sistema Solare dove Mercurio, per rimanere in orbita attorno al Sole, si deve muovere con una velocità orbitale di 48 Km/sec mentre il più lontano Nettuno lo fa muovendosi con una velocità orbitale di soli 5 Km/sec. Ciò non si osserva nel caso della Via Lattea o in altre galassie. In altre parole, la materia nelle regioni più esterne di una galassia a spirale si muove quasi con la stessa velocità orbitale della materia che si trova invece in prossimità delle regioni più centrali della galassia. Questo fatto è alquanto sorprendente dato che non sembra esistere abbastanza gravità nelle regioni più esterne del sistema galattico che possa mantenere la materia in orbita attorno alla galassia dato che, altrimenti, si disperderebbe nello spazio. Ciò implica che deve esistere una maggiore forza gravitazionale per spiegare come mai queste galassie continuano ad orbitare e stare insieme, cioè deve esistere altra materia che non vediamo e che per motivi di ignoranza chiamiamo appunto materia scura. Sappiamo che la presenza di materia scura è importante per mantenere gli ammassi di galassie legati gravitazionalmente e, inoltre, essa ci permette di spiegare il fenomeno della lente gravitazionale su larga scala, come si può vedere ad esempio nel Buller Cluster. I modelli ricostruiti al computer suggeriscono che le galassie possono avere aloni di materia scura e che essa può essere distribuita all’interno della loro struttura nello spazio intergalattico determinando così il 90% della massa galattica totale. Attualmente si ritiene che una piccola componente di materia scura sia di tipo barionico, cioè formata da protoni e neutroni, e che può esistere sotto forma di gas freddo e denso, come buchi neri, stelle di neutroni, nane brune o pianeti massicci e isolati (planemi), tutte componenti note come Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHOs). Tuttavia queste componenti non producono quegli effetti gravitazionali osservati che sono invece dovuti appunto alla materia scura. In conclusione la maggior parte di questa componente misteriosa deve esistere nella forma di materia di tipo non barionico, cioè nella forma delle cosiddette Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs).

Tra le particelle note come WIMPs, che probabilmente non hanno carica elettrica, i neutrini, prodotti in abbondanza dalle reazioni di fusione nucleare che hanno luogo nei nuclei delle stelle, potrebbero essere i migliori candidati anche se la loro massa non è sufficiente per giustificare gli effetti osservati. Invece,  la particella ideale per rappresentare la materia scura potrebbe essere il cosiddetto neutralino, una particella ipotetica prevista dalla teoria della supersimmetria. Il secondo esperimento chiamato Cryogenic Dark Matter Search Experiment (CDMS II), costituito da rivelatori a cristalli liquidi, è situato in una miniera di ferro nel Minnesota e ha lo scopo di rivelare solamente alcune particelle che sono in grado di penetrare in profondità il terreno. L’esperimento cerca quegli eventi di ionizzazione che possono essere utilizzati per distinguere le interazioni elettroniche da quelle nucleari. Si assume infatti che una particella WIMP ignori gli elettroni e potenzialmente interagisca con un nucleo. Ad oggi sono stati riportati due possibili eventi che tuttavia non possono essere considerati statisticamente significativi ma possono dare comunque una direzione alla ricerca. I risultati ottenuti dal gruppo di ricercatori indicano non solo quanto sia complicato rivelare una particella WIMP, cioè quanto scura sia la materia scura, ma che dovrà essere necessario migliorare la sensibilità stessa dei rivelatori.

Lente gravitazionale e galassie distanti

Il fenomeno della lente gravitazionale rappresenta un metodo unico e promettente per studiare quanta materia scura esiste nell’Universo e come si distribuisce nello spazio. Uno studio recente ad opera di un gruppo di ricercatori del Dipartimento dell’Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory ha permesso di estendere il fenomeno della lente gravitazionale per studiare le strutture più vecchie e più piccole rispetto a quanto fatto in precedenza.

Finora, il fenomeno della lente gravitazionale è stato limitato al calcolo della massa totale di gruppi e ammassi di galassie relativamente vicini. La massa totale di un ammasso è dovuta al contributo sia della materia ordinaria, cioè la materia visibile formata da stelle e polveri, altresì chiamata materia barionica , che della materia invisibile, la materia scura, che forma lo “scheletro”, per così dire, su cui si distribuiscono le galassie negli ammassi. Gli astronomi hanno trovato una relazione importante relativamente agli ammassi vicini che lega la massa totale, determinata dall’effetto della lente gravitazionale, con la luminosità dei raggi-X dovuta alla materia ordinaria. “Siamo stati in grado di estendere le misure alla massa delle strutture più piccole che sono esistite durante le fasi primordiali della storia dell’Universo permettendoci di capire meglio la relazione che esiste tra la materia ordinaria presente nelle strutture più dense e la massa totale dovuta alla materia scura così come viene misurata dall’effetto della lente gravitazionale“, dice Alexie Leauthaud, Chamberlain Fellow alla Divisione di Fisica del Berkeley Laboratory e membro del Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP) .

I supercomputer ricostruiscono la struttura dell’Universo

Sebbene siano state fatte tante scoperte che riguardano la storia dell’Universo negli ultimi 13,7 miliardi di anni tuttavia molti misteri rimangono ancora senza risposte. Ad esempio, non sappiamo cosa è successo esattamente durante il Big Bang o quali sono stati i processi fisiciche hanno portato alla formazione delle strutture che vediamo oggi come stelle, galassie o ammassi di galassie. Oggi però gli astronomi hanno a disposizione i cosiddetti supercomputer mediante i quali è possibile costruire modelli sofisticati che sono in grado di simulare la nascita e l’evoluzione dell’Universo.

Simulazioni al computer del processo di re-ionizzazione cosmica (a sinistra) e della formazione di un ammasso di galassie (a destra).
Credit: LCA.

Daniel Reynolds, professore di matematica al Southern Methodist University, ha collaborato con gli astrofisici dell’Università della California, a San Diego, per elaborare un modello relativo alla fase di reionizzazione cosmica nell’epoca che va dai 380.000 a 400.000 anni dopo il Big Bang. Si tratta di un modello matematico che ricostruisce gli eventi della cosiddetta “età scura” quando cioè si formarono le prime stelle e apparì la prima luce. “Il modello matematico riproduce una serie di processi fisici che furono presenti durante la fase cosmica della re-ionizzazione, come il moto del gas, il trasporto della radiazione, la cinematica degli elementi chimici, la formazione stellare“, dice Reynolds. “Inoltre dobbiamo sottolineare che le simulazioni sono estremamente accurate e numericamente stabili“.

Di solito le simulazioni consistono di un insieme complesso di equazioni matematiche che cercano di rappresentare i processi fisici. Solo i supercomputer possono risolvere simultaneamente le equazioni. L’intuizione scientifica e la creatività entrano in gioco sviluppando il modello base, applicando alle equazioni i parametri più adatti, mentre le variabili possono essere modificate di volta in volta per descrivere scenari diversi. L’obiettivo, dunque, è quello di ottenere un modello i cui risultati siano molto vicini alle osservazioni e ci permettano di fare delle previsioni che siano possibilmente vicini alla realtà. Se questo succede allora potremo dire di aver descritto quei processi fisici che sono esistiti durante la fasi iniziali della storia dell’Universo.