Le tracce chimiche delle stelle primordiali

Determinare l’abbondanza degli elementi chimici delle stelle primordiali non è un compito alquanto facile. Oggi, però, uno scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sta contribuendo a facilitare questo campo di ricerca. I risultati su Physical Review Letters.

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Planck avvalora il modello cosmologico standard

In questi giorni, i cosmologi sono riuniti a Palazzo Costabili, nella città di Ferrara, per discutere gli ultimi risultati ottenuti dal satellite Planck sulla temperatura e la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (post). Il risultato principale è una nuova mappa a tutto cielo che mostra lo stato fisico dell’Universo infante appena 380 mila anni dopo il Big Bang e i cui dati saranno pubblicati sulla rivista Astronomy & Astrophysics non prima del 22 Dicembre 2014.

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

Una fine ‘insolita’ per le stelle più antiche

Alcune stelle primordiali, ossia quelle che hanno masse 55-56 mila volte superiori a quella del Sole, potrebbero aver terminato il loro ciclo vitale in modo ‘insolito’. In altre parole, assieme alle stelle di prima generazione, questi oggetti sarebbero esplosi formando delle supernovae ‘vuote’, cioè senza lasciare dietro un buco nero come residuo finale dell’evoluzione stellare. E’ quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo di astrofisici della University of California, Santa Cruz (UCSC) e della University of Minnesota dopo una serie di simulazioni numeriche realizzate mediante i supercomputer del Department of Energy’s (DOE’s) National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) e del Minnesota Supercomputing Institute dell’Università del Minnesota. I ricercatori hanno utilizzato un particolare codice astrofisico, denominato CASTRO e sviluppato dalla DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory’s (Berkeley Lab’s) Computational Research Division (CRD) e i risultati sono stati pubblicati su Astrophysical Journal (ApJ).

SDSS J0018, una stella che esplose all’alba dei tempi

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il telescopio Subaru, un gruppo internazionale di astronomi hanno identificato una stella di piccola massa che esibisce rapporti di abbondanza chimica peculiari tipici del processo di nucleosintesi che ha caratterizzato la formazione di una stella molto massiccia di prima generazione. Finora, nessuna evidenza osservativa ha supportato le simulazioni numeriche che hanno lo scopo di dimostrare l’esistenza di stelle massicce primordiali che avrebbero composto la prima generazione di stelle formatesi subito dopo il Big Bang.

LUNA riproduce la nucleosintesi del litio

Uno dei problemi ancora aperti dell’astrofisica riguarda la questione del litio. Infatti, la quantità di litio prevista nelle stelle non è quella che ci aspettiamo (post1; post2). Nonostante ciò, i calcoli sono esatti, così come è stato confermato per la prima volta da un esperimento recente condotto presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso che ha permesso di calcolare la percentuale di litio che si produce sotto certe condizioni estreme, come quelle che hanno caratterizzato, appunto, il Big Bang.

Quei ‘pochi eletti’ che ospitano le galassie deboli

La studio della materia scura ha fatto ulteriori progressi grazie ad una serie di nuove simulazioni numeriche (EAGLE simulation) che mostrano l’evoluzione dell’Universo locale dal Big Bang ai nostri giorni. Carlos Frenk, Director del Durham University’s Institute for Computational Cosmology, che è a capo del programma di ricerca, spiega come queste simulazioni potrebbero fornire preziosi indizi sull’origine della materia scura, quella misteriosa componente che rappresenta circa l’85% di tutta la materia presente nell’Universo.

A significant number of black holes among the first stars

Grazie ad una serie di osservazioni nella banda dell’infrarosso e dei raggi-X relative alla stessa porzione di cielo, realizzate con i telescopi spaziali Chandra e Spitzer, un gruppo di astronomi hanno rivelato la presenza di un numero significativo di buchi neri che esistevano già durante le fasi primordiali della storia cosmica, all’epoca cioè quando andavano formandosi le prime stelle. I ricercatori concludono che almeno una sorgente su cinque che contribuisce al fondo della radiazione infrarossa è associata ad un buco nero.

“Our results indicate black holes are responsible for at least 20 percent of the cosmic infrared background, which indicates intense activity from black holes feeding on gas during the epoch of the first stars“, said Alexander Kashlinsky, an astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md. The cosmic infrared background (CIB) is the collective light from an epoch when structure first emerged in the Universe. Astronomers think it arose from clusters of massive suns in the Universe’s first stellar generations, as well as black holes, which produce vast amounts of energy as they accumulate gas. Even the most powerful telescopes cannot see the most distant stars and black holes as individual sources. But their combined glow, traveling across billions of light-years, allows astronomers to begin deciphering the relative contributions of the first generation of stars and black holes in the young cosmos. This was at a time when dwarf galaxies assembled, merged and grew into majestic objects like our own Milky Way galaxy. “We wanted to understand the nature of the sources in this era in more detail, so I suggested examining Chandra data to explore the possibility of X-ray emission associated with the lumpy glow of the CIB“, said Guenther Hasinger, director of the Institute for Astronomy at the University of Hawaii in Honolulu, and a member of the study team. Hasinger discussed the findings Tuesday at the 222nd meeting of the American Astronomical Society in Indianapolis. The work began in 2005, when Kashlinsky and his colleagues studying Spitzer observations first saw hints of a remnant glow. The glow became more obvious in further Spitzer studies by the same team in 2007 and 2012. The 2012 investigation examined a region known as the Extended Groth Strip, a single well-studied slice of sky in the constellation Bootes. In all cases, when the scientists carefully subtracted all known stars and galaxies from the data, what remained was a faint, irregular glow. There is no direct evidence this glow is extremely distant, but telltale characteristics lead researchers to conclude it represents the CIB. In 2007, Chandra took especially deep exposures of the Extended Groth Strip as part of a multiwavelength survey. Along a strip of sky slightly larger than the full moon, the deepest Chandra observations overlap with the deepest Spitzer observations. Using Chandra observations, lead researcher Nico Cappelluti, an astronomer with the National Institute of Astrophysics in Bologna, Italy, produced X-ray maps with all of the known sources removed in three wavelength bands. The result, paralleling the Spitzer studies, was a faint, diffuse X-ray glow that constitutes the cosmic X-ray background (CXB). Comparing these maps allowed the team to determine whether the irregularities of both backgrounds fluctuated independently or in concert. Their detailed study indicates fluctuations at the lowest X-ray energies are consistent with those in the infrared maps. “This measurement took us some five years to complete and the results came as a great surprise to us“, said Cappelluti, who also is affiliated with the University of Maryland, Baltimore County in Baltimore. The process is similar to standing in Los Angeles while looking for signs of fireworks in New York. The individual pyrotechnics would be too faint to see, but removing all intervening light sources would allow the detection of some unresolved light. Detecting smoke would strengthen the conclusion at least part of this signal came from fireworks. In the case of the CIB and CXB maps, portions of both infrared and X-ray light seem to come from the same regions of the sky. The team reports black holes are the only plausible sources that can produce both energies at the intensities required. Regular star-forming galaxies, even those that vigorously form stars, cannot do this. By teasing out additional information from this background light, the astronomers are providing the first census of sources at the dawn of structure in the Universe. “This is an exciting and surprising result that may provide a first look into the era of initial galaxy formation in the Universe“, said another contributor to the study, Harvey Moseley, a senior astrophysicist at Goddard. “It is essential that we continue this work and confirm it“.

NASA: NASA Chandra, Spitzer Study Suggests Black Holes Abundant Among The Earliest Stars

arXiv:Cross-correlating cosmic IR and X-ray background fluctuations: evidence of significant black hole populations among the CIB sources

WMAP, pubblicati i dati finali dopo nove anni di osservazioni

Sin da quando è stato lanciato nel lontano 2001, il satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha rivoluzionato la nostra visione dell’Universo, rafforzando un modello cosmologico mediante il quale gli astronomi possono oggi spiegare tutta una serie di osservazioni. La missione spaziale, guidata da Charles L. Bennett della Johns Hopkins University, ha permesso di determinare, con un elevato grado di precisione, non solo l’età dell’Universo ma anche la densità degli atomi, la densità di tutta la materia non composta da atomi, l’epoca di formazione delle prime stelle, localizzando persino quei ‘siti cosmici’ dove la materia si è aggregata per formare successivamente le galassie e gli ammassi di galassie.

In breve, le osservazioni di WMAP ci hanno fornito l’informazione sui suddetti parametri con un livello di accuratezza circa 70 mila volte superiore facendo della cosmologia una scienza di precisione. Oggi, trascorsi due anni da quando il satellite è andato in pensione, Bennett e il suo gruppo scientifico hanno pubblicato i risultati finali della missione dopo nove anni di osservazioni. “Si tratta quasi di un miracolo” spiega Bennett. “L’Universo sembra racchiudere una sorta di codice personale che si cela nella radiazione cosmica di fondo e quando lo abbiamo decodificato abbiamo rivelato la sua storia e il suo contenuto. E’ davvero sorprendente come ogni cosa vada nel suo posto”. L’immagine ottenuta da WMAP che fotografa l’Universo da ‘giovane’, all’età di appena 375 mila anni dopo il Big Bang, ci permette di porre dei limiti su ciò che potrebbe essere accaduto prima e su ciò che accaduto miliardi di anni dopo quel momento. Il modello cosmologico standard, noto anche come Big Bang, che afferma che l’Universo delle origini era estremamente caldo e denso e che poi si è raffreddato in seguito alla sua espansione, è fortemente supportato dai dati di WMAP. Inoltre, le osservazioni di WMAP vanno a favore di un altro modello, l’inflazione, che descrive gli attimi immediatamente dopo la grande esplosione iniziale. Il modello inflazionistico afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale causando un incremento del proprio volume di spazio dell’ordine di circa un trilione di trilione di volte in meno di un trilionesimo di trilionesimo di secondo. In seguito a questa immane variazione di volume dello spazio, si generarono piccolissime fluttuazioni di densità che alla fine crebbero portando alla formazione delle galassie. Le misure estremamente precise di WMAP relative alle fluttuazioni di densità della materia hanno confermato determinate previsioni della versione più semplice del modello inflazionistico: in altre parole, le fluttuazioni seguono una curva a campana che ha le stesse proprietà su tutto il cielo; inoltre, la mappa del cielo contiene in ugual numero regioni più calde e più fredde. Infine, i dati di WMAP confermano alcune previsioni in base alle quali l’ampiezza delle variazioni di densità su larga scala è leggermente maggiore rispetto a quella su scale più piccole e che la forma dello spazio segue le leggi della geometria euclidea. Di recente, lo stesso Stephen Hawking ha commentato alla rivista New Scientist che l’evidenza trovata da WMAP a favore dell’inflazione è stata la scoperta più emozionante in tutta la sua carriera di fisico.

L’Universo è fatto dal 4,6% di atomi, una frazione maggiore, il 24%, è composta da materia invisibile, denominata materia scura, mentre la parte rimanente e la più dominante, il 71%, è una forma di energia, una sorta di anti-gravità, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e sembra guidare l’espansione accelerata dell’Universo. Grazie alle osservazioni di WMAP è stato possibile risalire all’epoca di formazione delle prime stelle, ossia quando l’Universo aveva una età di circa 400 milioni di anni. Uno degli obiettivi scientifici del telescopio spaziale di nuova generazione James Webb sarà quello di esplorare in dettaglio questa particolare epoca della storia cosmica per ricavare ulteriori indizi sulla formazione delle stelle più antiche. “L’ultima parola di WMAP segna la fine dell’inizio nella nostra ricerca verso la comprensione dell’Universo” commenta Adam Riess, premio Nobel per la Fisica nel 2011 per aver scoperto gli effetti dovuti all’energia scura sull’espansione dello spazio. Insomma, WMAP ha aperto le porte alla cosmologia di precisione, dunque l’Universo non sarà più lo stesso come prima.

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Il video seguente illustra i risultati di WMAP commentati da Charles Bennett

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arXiv: Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results

arXiv: Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results

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