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L’origine della radiazione infrarossa di fondo: stelle o galassie?

Quando si sono formate le prime stelle e le prime galassie? Quanta luminosità emettono? Sono alcune delle domande a cui tenterà di rispondere un esperimento spaziale della NASA che fa parte del programma “Sounding Rockets, denominato CIBER (Cosmic Infrared Background Experiment). Lo strumento ha permesso recentemente di rivelare sorprendentemente un eccesso di radiazione infrarossa distribuita nello spazio buio tra le galassie, una sorta di bagliore cosmico diffuso che risulta così luminoso come la luce emessa da tutte le galassie. Gli scienziati ritengono che si tratti di emissione associata alle stelle “orfane” che sono state espulse dalle proprie galassie. La scoperta aggiunge nuovi indizi a quello che già sappiamo sulle galassie in quanto non possono essere più considerate come quell’enorme insieme di stelle ma come delle strutture più estese, interconnesse da una immensa vastità di stelle. Le osservazioni di questo eccesso di radiazione infrarossa di fondo, già rivelata in precedenza dal telescopio spaziale Spitzer, stanno ora aprendo tutta una serie di domande per capire se si tratta di radiazione associata alle stelle, che sono troppo distanti per essere osservate direttamente, o alle prime galassie che si sono formate circa un miliardo di anni dopo il Big Bang.

NASA: NASA Rocket Experiment Finds the Universe Brighter Than We Thought

NASA: NASA Launching Experiment to Examine the Beginnings of the Universe

Science: Rogue stars outside galaxies may be everywhere

Science: On the origin of near-infrared extragalactic background light anisotropy

arXiv: On the Origin of Near-Infrared Extragalactic Background Light Anisotropy

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L’evoluzione cosmica delle strutture primordiali

Simulation on the computer: The image is from the Phoenix project and shows a rich cluster dark matter halo which is simulated with 1.3 billion particles. The length across is 23 million light years on a side. Credit: The Phoenix Project

Uno degli obiettivi che riguarda lo studio dell’Universo delle origini è quello di capire come si sono formate le prime strutture cosmiche. Oggi riteniamo che le prime galassie si siano formate alcune centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Ci si chiede come mai le galassie hanno una diversa forma e struttura? Come si è evoluto l’Universo nel suo insieme? Per rispondere, in parte, a queste domande due gruppi di ricercatori tedeschi e cinesi che lavorano in partnership al Max Planck Institute for Astrophysics stanno utilizzando una serie di osservazioni e simulazioni per investigare l’evoluzione dell’Universo primordiale.

More at MPI: The first building blocks of the universe

Spitzer osserva i ‘confini’ dell’Universo

Secondo il modello cosmologico standard, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang si formarono le prime galassie. Nessuno sa quando e come sia avvenuto questo processo. Per queste ragioni, gli astronomi non sono in grado di stabilire esattamente la storia cosmica della Via Lattea e delle sue stelle anche se sono stati fatti vari tentativi per capire, almeno in maniera approssimativa, come sono andate le cose. Nel 1996, il telescopio spaziale Hubble venne puntato per una decina di giorni verso una regione molto buia del cielo in modo da acquisire una fotografia a lunga esposizione dello spazio più remoto. L’immagine che è stata ottenuta, denominata Hubble Deep Field (HDF), ci ha rivelato che le galassie esistevano già quando l’Universo aveva una età di circa 700 milioni di anni. Da allora, gli astronomi hanno cercato di capire che cosa sono esattamente questi oggetti studiandone la loro morfologia ed evoluzione e se essi assomigliano, in qualche modo, alla nostra galassia così come si trova oggi o come era durante le epoche primordiali della storia cosmica.

Un gruppo di ricercatori del Smithsonian Center for Astrophysics hanno terminato una survey profonda ed incontaminata dell’Universo distante grazie ad una serie di osservazioni condotte con la Infrared Array Camera installata a bordo del telescopio spaziale Spitzer. La survey profonda del cielo ha permesso di esplorare le regioni più remote del cosmo con una tale profondità e un campo di vista mai raggiunti prima, quasi sei volte l’area del cielo che sottende la Luna piena, perciò decisamente maggiore rispetto all’immagine originale ottenuta da Hubble. Gli scienziati hanno rivelato galassie così piccole la cui massa è equivalente al 15% di quella della Via Lattea e la cui luce ha viaggiato per circa 12,7 miliardi di anni. All’interno del campo di vista della survey si contano più di 300 mila galassie. Questi nuovi dati permettono di ricavare nuovi indizi su quattro punti: 1) l’evoluzione delle galassie su questo lungo arco di tempo; 2) la rivelazione di galassie attive contenenti buchi neri supermassicci; 3) la variabilità di questi nuclei galattici; 4) lo studio dell’emissione infrarossa distribuita ‘tra’ queste sorgenti, quella che tecnicamente viene chiamata la componente diffusa. Infine, da queste osservazioni si è trovato che quasi il 50% del contributo della luce cosmica nella banda dell’infrarosso è associato alle galassie distanti mentre il resto proviene dalla componente diffusa di fondo la cui origine non è ancora nota e, forse, potrebbe essere dovuta ad un insieme di galassie più piccole.

SAO: The Distant Cosmos as Seen in the Infrared

Survey Page: SEDS

L’Universo all’epoca in cui si formarono le ‘prime’ stelle

Man mano che gli astronomi si spingono sempre più indietro nel tempo, diventa possibile risalire all’epoca in cui l’Universo presentava già tracce di elementi pesanti, quali carbonio e ossigeno. Questi elementi, che si formarono dall’esplosione di stelle di grande massa, hanno successivamente formato quei mattoni fondamentali da cui sono emersi i pianeti e la stessa vita sul nostro pianeta.

Oggi, alcuni ricercatori del MIT, del Caltech e dell’Università della California a San Diego, sono stati in grado di esplorare le epoche più remote della storia cosmica fino ad arrivare all’era in cui apparvero le prime stelle e le prime galassie. Per realizzare queste misure, gli scienziati hanno analizzato la luce del quasar più distante, un nucleo galattico attivo situato a più di 13 miliardi di anni-luce dalla Terra. Le osservazioni di questo quasar mostrano una sorta di ‘istantanea’ dell’Universo durante la sua infanzia, quando cioè si trovava ad avere una età di circa 750 milioni di anni. L’analisi dello spettro della radiazione emessa dal quasar non ha fornito alcuna evidenza di elementi pesanti presenti nella nube di gas che lo circonda, un risultato che indica il fatto che il quasar appartiene ad una epoca vicina a quella in cui si stavano formando le prime stelle. In altre parole, questi dati suggeriscono che le prime stelle si sono formate in fasi successive e non tutte insieme. Ad ogni modo, le osservazioni ottenute sul quasar distante ci forniscono nuovi indizi per comprendere ancora più in dettaglio le fasi primordiali dell’evoluzione delle prime stelle. Già da qualche tempo, gli astronomi stanno cercando di individuare il periodo cosmico durante il quale sono emerse le prime stelle andando ad analizzare la luce degli oggetti più distanti. Ma fino ad oggi, i ricercatori sono stati in grado di osservare solo oggetti che si trovano a meno di 11 miliardi di anni-luce. Questi oggetti mostrano tutti tracce di elementi pesanti e ciò indica che le stelle erano già apparse o comunque si erano già formate in quella fase della storia cosmica. Il passo successivo sarà ora quello di analizzare gli spettri di altri quasar distanti in modo da confermare l’assenza di elementi pesanti, come l’ossigeno, il silicio, il ferro o il magnesio, e definire meglio l’età in cui si originarono le prime stelle dell’Universo.

[Press release: When the first stars blinked on]

arXiv: Extremely metal-poor gas at a redshift of 7

Gli astronomi danno la caccia alle galassie più remote dell’Universo

Grazie al fenomeno della lente gravitazionale, gli astronomi dell’Università dell’Arizona utilizzeranno, per così dire, gli ammassi di galassie per esplorare le regioni più remote dello spazio rispetto a quanto possano fare i telescopi in modo da catturare la luce delle prime stelle e delle prime galassie che si stavano formando in seguito al collasso gravitazionale del gas e della materia scura.

Grazie ad un fondo di 600 mila dollari della National Science Foundation, la professoressa Ann Zabludoff e il suo gruppo presso lo Steward Observatory, e altri ricercatori stanno lavorando per trovare e analizzare queste lenti gravitazionali cosmiche. “Stiamo parlando di qualcosa veramente all’alba dei tempi, quasi 13 miliardi di anni fa” dichiara Zabludoff. Da un pò di tempo, gli astronomi stanno tentando di ricostruire la storia cosmica, rivelando le prime stelle e galassie che si formarono subito dopo il Big Bang a partire dalle particelle subatomiche chiamate barioni. “Ciò che sappiamo sulla distribuzione del gas nell’Universo primordiale è che esso appare come una meravigliosa ragnatela perciò è naturale immaginare che le galassie si formino negli interstizi di questi filamenti mentre i barioni, incluso il gas, vengono attratti dalla galassia. Il punto è che queste galassie sono estremamente distanti e molto deboli” spiega Zabludoff. Per rivelare queste galassie remote gli astronomi utilizzano un metodo che fu introdotto da Fritz Zwicky e che si basa sulla relatività generale: la lente gravitazionale.

Ora, proprio come le lenti ottiche, due o più lenti gravitazionali lungo la linea di vista potrebbero sommare i loro effetti in modo tale da ulteriormente ingrandire una regione di cielo che apparirebbe più piccola se fosse dovuta ad una singola lente gravitazionale. In generale, trovare dei sistemi cosi massicci è molto raro e le probabilità di averli allineati lungo la linea di vista risulta ancora più raro. Nonostante ciò, il gruppo di Zabludoff è andato oltre cercando dai dati in archivio delle survey passate quali regioni del cielo fossero caratterizzate dalla presenza di ammassi di galassie massicci e allineati con la linea di vista tali da creare quegli effetti ideali dovuti al fenomeno della lente gravitazionale. Utilizzando i dati del Giant Magellan Telescope in Cile e del Multiple Mirror Telescope in Arizona, Zabludoff ha iniziato ad analizzare 10 regioni interessanti dove l’ingrandimento dell’area del cielo osservata risulta di gran lunga maggiore rispetto a quanto ci si aspetta dagli effetti prodotti da un singolo ammasso. Insomma, grazie a questo metodo potremmo essere prossimi ad osservare per la prima volta la formazione delle prime stelle e delle prime galassie.

[Press release: Seeking the Earliest Galaxies with Cosmic Telescopes]

ArXiv: Optimal Mass Configurations for Lensing High-Redshift Galaxies

Hubble si spinge verso l’eXtremità dell’Universo

L’immagine ultra profonda realizzata dal telescopio spaziale Hubble e denominata Hubble Ultra Deep Field copre una piccolissima area di cielo nella direzione della costellazione della Fornace. Dopo aver elaborato i dati raccolti tra il 2003 e il 2004, gli astronomi hanno potuto ammirare migliaia di galassie, sia vicine che distanti, ottenendo così l’immagine più profonda dell’Universo. Ma la recente immagine denominata Hubble eXtreme Deep Field (XDF) è ancora più profonda e contiene circa 5500 galassie nonostante il suo piccolissimo campo di vista. In questa immagine si possono osservare galassie a spirale e galassie enormi e particolarmente rosse che sono il risultato di drammatiche collisioni con altre galassie e dove i processi di formazione stellare si sono arrestati. Inoltre, si possono notare galassie più piccole e più deboli che rappresentano quei siti cosmici da dove si sono successivamente sviluppate le galassie che osserviamo oggi. Insomma, in questa immagine è rappresentata la storia cosmica delle galassie da quelle primordiali a quelle che osserviamo nell’Universo attuale. “La XDF è l’immagine più profonda del cielo mai realizzata dove possiamo osservare le galassie più deboli e più distanti” dichiara Garth Illingworth della University of California a Santa Cruz e investigatore principale del programma Hubble Ultra Deep Field 2009 (HUDF09). “Si ritiene che la galassia più giovane che siamo in grado di osservare nell’immagine XDF esisteva già quando l’Universo aveva una età di circa 450 milioni di anni”. Prima che venisse lanciato il telescopio spaziale Hubble nel 1990, gli astronomi potevano rivelare la luce di galassie distanti circa 7 miliardi di anni-luce, perciò non era possibile ricostruire la storia dell’evoluzione cosmica delle galassie. Hubble, invece, aprì una nuova finestra sull’Universo e permise agli astronomi di avere tutte quelle informazioni fondamentali sulle galassie primordiali fornendo per la prima volta una chiara evidenza osservativa sul fatto che l’Universo sta veramente cambiando man mano che evolve nel tempo. Fra qualche anno, il successore di Hubble farà ancora meglio. Uno degli obiettivi scientifici della missione del telescopio spaziale James Webb sarà quello di esplorare l’Universo nella banda infrarossa dello spettro elettromagnetico andando sempre più indietro nel tempo al fine di rivelare le prime stelle e le prime galassie la cui radiazione riempì di luce lo spazio subito dopo l’età scura dell’Universo.

[Press release: Hubble Goes to the eXtreme to Assemble Farthest Ever View of the Universe]

Dalle onde radio ‘primordiali’ un nuovo metodo per esplorare l’Universo delle origini

L’osservazione delle stelle più vecchie e più distanti, che sono anche quelle più difficili da studiare, ci permette di svelare la storia dell’Universo, la cui età viene stimata in 13,7 miliardi di anni. Tuttavia, oggi gli attuali telescopi possono catturare la luce delle galassie che si sono formate circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang e solo nel caso in cui una galassia sia particolarmente brillante o dove in essa avviene un evento colossale e di alta energia, come l’esplosione di una stella.

Un team internazionale di ricercatori dell’Università di Tel Aviv hanno sviluppato un metodo per studiare le galassie e le stelle che si sono formate quando l’Universo era ancora giovane, ossia quando aveva una età di appena 180 milioni di anni. Questo approccio fa uso dei radiotelescopi per analizzare le onde radio emesse dagli atomi di idrogeno che popolavano le epoche primordiali della storia cosmica. Emettendo onde della lunghezza di 21 cm, gli atomi riflettono la radiazione delle stelle e perciò essa può essere rivelata dai radiotelescopi. Secondo il professor Rennan Barkana della TAU’s School of Physics and Astronomy le onde radio esibiscono una proprietà specifica, una sorta di impronta associata alle galassie più vecchie che hanno una dimensione pari a circa un milionesimo di quella delle galassie che osserviamo oggi. Le differenze relative ai moti della materia scura e del gas appartenenti alle epoche primordiali, e che influenzano la formazione delle stelle, producono una determinata fluttuazione nelle onde radio che permette di localizzarle molto facilmente rispetto all’emissione radio più potente proveniente dall’Universo locale. L’intensità di queste onde radio primordiali dipende dalla temperatura del gas e ciò fa sì che si possano creare delle prime mappe celesti relative alla distribuzione nel cielo delle galassie più antiche. Se poi il gas è molto caldo, vuol dire che ci saranno molte stelle e viceversa. Dunque, questo nuovo approccio permetterà di capire ancora meglio le fasi iniziali della storia cosmica in modo da ‘vedere’, per così dire, come appariva l’Universo delle origini in termini della distribuzione di stelle e di galassie. Insomma, si apre una nuova finestra della cosmologia moderna, detta “cosmologia a 21 cm”, che fornirà agli astronomi un nuovo strumento di indagine al fine di esplorare l’ignoto e di illuminare, è il caso di dire, quel periodo enigmatico della storia dell’Universo tra la sua nascita e l’epoca attuale.

ArXiv: The signature of the first stars in atomic hydrogen at redshift 20

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]

L’origine delle prime stelle e delle prime galassie

Nonostante gli astrofisici abbiano sviluppato un quadro teorico che tenta di spiegare la nascita e la formazione delle prime stelle e delle prime galassie, solo oggi cominciamo a verificare questi modelli, grazie ai telescopi spaziali sempre più sofisticati mediante i quali siamo in grado di osservare le regioni più remote dell’Universo. Di fatto, stiamo attraversando un’epoca di grandi scoperte nel campo dell’astronomia che ci permetteranno di allargare sempre di più gli orizzonti della nostra conoscenza. Il libro che mi piace segnalare è How did the first stars and galaxies form? di Abraham Loeb edito da Princeton University Press.

Loeb, professore di astronomia e direttore dell’Institute for Theory and Computation presso la Harvard University, descrive i concetti base della cosmologia, iniziando dai principi fondamentali e spiegando i concetti fisici che stanno alla base dei fenomeni osservati. Tra gli argomenti trattati cito l’evoluzione delle pertubazioni gravitazionali, le proprietà degli aloni di materia scura che circondano le galassie, il periodo della reionizzazione, i metodi e le tecniche per osservare le galassie primordiali e molto altro ancora. Insomma, un libro di cosmologia che cerca di dare delle risposte al mistero legato alle nostre origini cosmiche.

Verso le origini del tempo cosmico

Un ultimo e ambizioso progetto vede ancora come protagonista il telescopio spaziale Hubble che permetterà ai cosmologi di esplorare i confini dell’Universo in cinque direzioni allo scopo di studiare la formazione delle prime stelle e l’evoluzione delle galassie. Utilizzando una quantità di tempo dedicato alle osservazioni, il programma Hubble Multi-Cycle Treasury Program realizzerà le fotografie di più di 250.000 galassie distanti fornendo agli astronomi una visione molto più dettagliata delle struttura delle galassie e del modo con cui si sono assemblate, per così dire, nel corso del primo terzo di tempo cosmico. “Si tratta di uno sforzo tale che permetterà di utilizzare il telescopio al massimo delle sue capacità fornendoci un insieme di dati senza precedenti per parecchio tempo“, spiega Sandra Faber investigatore principale presso l’Università della California a Santa Cruz.

Altri fini del progetto riguarderanno la ricerca di dati cruciali per capire le fasi iniziali della formazione dei buchi neri supermassicci e l’identificazione di supernovae distanti che sono fondamentali per studiare l’energia scura e l’espansione accelerata dell’Universo. Tutto ciò sarà possibile grazie alla potente camera a raggi infrarossi, cioè la Wide Field Camera 3 (WFC3), così come quella dedicata alle survey del cielo, l’Advanced Camera for Surveys (ACS). Al programma, che coinvolge un elevato numero di ricercatori a livello internazionale, è stato assegnato un tempo di osservazione pari a oltre 900 orbite, e rappresenta uno dei tre principali progetti che sono stati selezionati per l’Hubble Multi-Cycle Treasury Program. Il tempo dedicato alle osservazioni, equivalente a circa 3 mesi e mezzo, sarà distribuito nei prossimi due o tre anni. Hubble permette di andare indietro nel tempo dato che raccoglie la luce che ha viaggiato nello spazio per miliardi di anni. La prossima survey è stata progettata per osservare le galassie fino a distanze che corrispondono ad un intervallo di tempo cosmico da circa 600.000 fino a 4 miliardi di anni dopo il Big-Bang. “Vogliamo spingerci sempre più indietro nel tempo e vedere cosa stavano facendo, per così dire, le galassie e i buchi neri a quelle epoche” dice Faber. “E’ importante osservare regioni di spazio differenti dato che l’Universo appare caratterizzato da tante zone di addensamento della materia in modo da avere una visione più globale“.

Faber e i suoi collaboratori si aspettano i primi dati entro la fine del 2010 e, senza alcun dubbio, essi terranno occupati gli astronomi almeno per diversi anni. “Siamo molto eccitati non solo per le 900 orbite ma anche per ciò che la nuova camera ad infrarossi può fare. Sarà proprio impressionante ciò che riuscirà a vedere” conclude Faber.