Fusione di buchi neri

Stando ad un recente studio, frutto di dati raccolti dal radiotelescopio Very Large Array (VLA), nell’Universo potrebbe esserci un numero di coppie di buchi neri supermassicci minore di quanto si pensasse. Le galassie massicce ospitano nel loro nucleo centrale buchi neri con masse pari a milioni di volte il nostro Sole. Quando due galassie di questo tipo si scontrano, i loro buchi neri supermassicci si avvicinano in una stretta danza orbitale che li porta, nel tempo, ad unirsi. Gli scienziati ritengono che questo avvicinamento sia la fonte più intensa di onde gravitazionali che la natura possa fornirci. «Le onde gravitazionali rappresentano la prossima grande frontiera dell’astrofisica, e la loro rilevazione porterà a una nuova comprensione dell’Universo», ha dichiarato David Roberts dellaBrandeis University, autore principale della ricerca. «È importante avere quante più informazioni possibili circa le fonti di questo segnale sfuggente», ha aggiunto. Le onde gravitazionali non sono altro che increspature nello spazio-tempo, e sono state previste nel 1916 da Albert Einstein come conseguenza della sua teoria della relatività generale. La prima prova indiretta dell’esistenza di questo tipo di onde è stata ottenuta studiando il comportamento di una pulsar in orbita attorno ad un’altra stella di neutroni, un sistema scoperto nel 1974 da Joseph Taylor e Russell Hulse. Le osservazioni di questo sistema binario sono durate diversi anni e hanno dimostrato che le loro orbite si stanno riducendo esattamente al tasso previsto dalle equazioni di Einstein, che prevedono una perdita di energia del sistema sotto forma, appunto, di onde gravitazionali. Nel 1993 Taylor e Hulse ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per questo lavoro, che ha confermato un effetto previsto per le onde gravitazionali. Tuttavia, non ne esiste ancora alcun rilevamento diretto. Nel tentativo di rilevare le onde gravitazionali, gli astronomi di tutto il mondo stanno conducendo programmi di monitoraggio delle pulsar in rapida rotazione.  L’estrema precisione dei segnali emessi dalle pulsar ci permette di monitorare ogni loro minima variazione di rotazione. Il monitoraggio delle pulsar prevede la ricerca di spostamenti nei loro segnali luminosi, poiché tali spostamenti sarebbero causati dalle deformazioni del tessuto spazio-temporale riconducibili alle onde gravitazionali. Roberts e suoi colleghi hanno studiato nel dettaglio un campione di galassie note come “radio galassie a forma di X” (in inglese “X-shaped radio galaxies”), la cui peculiare struttura indica la possibilità che i getti radio osservati, che emettono particelle a grandi velocità strappandole dai dischi galattici, abbiano cambiato direzione nel tempo. Gli astronomi hanno suggerito che tale cambiamento potrebbe essere causato dalla fusione con un’altra galassia, che implicherebbe una variazione di direzione dell’asse di rotazione del buco nero e di quello del getto. Il team ha lavorato su un elenco di circa 100 oggetti, ha quindi raccolto i dati di archivio del VLA per ottenere immagini di altissima qualità per una selezione di 52 sorgenti tra le più promettenti. L’analisi delle nuove immagini ha portato alla conclusione che solo 11 sono reali candidati ad essere classificati come frutto di fusioni galattiche. I cambiamenti di direzione dei getti delle altre galassie, hanno concluso, avevano altre cause. Estrapolando da questo risultato, gli astronomi hanno stimato che meno dell’1.3% delle galassie con emissione radio estesa hanno effettivamente sperimentato fusioni. Questo tasso è cinque volte inferiore alle stime precedenti. «Questo potrebbe comportare una riduzione significativa del livello di onde gravitazionali che ci aspettiamo di osservare da queste peculiari radio galassie rispetto a quanto stimato in precedenza», ha detto Roberts. «Sarà molto importante conoscere l’emissione di onde gravitazionali attesa dagli oggetti di cui conosciamo il comportamento elettromagnetico: ci permetterà di migliorare la nostra comprensione della fisica fondamentale».
di Elisa Nichelli (INAF)

Il lento spegnersi dell’Universo

Grazie ad uno studio di più di 200 mila galassie, un gruppo internazionale di astronomi ha misurato con grande precisione l’energia generata all’interno di un volume di spazio grande ma definito. Si tratta della stima più complessiva del bilancio energetico dell’Universo locale attraverso la quale è stato possibile confermare come l’energia prodotta oggi in una certa zona dello spazio risulti circa la metà di quella prodotta due miliardi di anni fa e questa diminuzione avviene a tutte le lunghezze d’onda, dall’ultravioletto al lontano infrarosso. I risultati, che sono stati presentati alla XXIX Assemblea Generale dell’Unione Astronomica Internazionale che si sta svolgendo in questi giorni ad Honolulu, nelle Hawaii, e che sono stati inviati per la pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, suggeriscono che l’Universo sta spegnendosi lentamente. Lo studio fa parte di un programma di ricerca denominato GAMA (Galaxy and Mass Assembly), la più grande survey multifrequenza mai realizzata. Gli scienziati hanno utilizzato i più potenti telescopi del mondo, tra cui i telescopi dell’ESO VISTA e VST all’Osservatorio del Paranal, in Cile, quest’ultimo ideato e realizzato dall’INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte, a Napoli. Ulteriori osservazioni di supporto sono state realizzate con GALEX e WISE, due telescopi spaziali gestiti dalla NASA, e con il telescopio spaziale dell’ESA Herschel. «Abbiamo usato tutti i telescopi da terra e dallo spazio su cui abbiamo potuto mettere mano per misurare la produzione energetica di più di 200 mila galassie in un intervallo di lunghezze d’onde il più ampio possibile», spiega Simon Driver, ICRAR, University of Western Australia, e a capo del gruppo scientifico del progetto GAMA. I dati della survey, resi disponibili agli astronomi di tutto il mondo, comprendono misure della produzione energetica di ciascuna galassia a 21 diverse lunghezze d’onda, dall’ultravioletto al lontano infrarosso. Questo insieme di dati aiuterà gli scienziati a capire meglio come si sono formate ed evolute le diverse classi di galassie. Tutta l’energia nell’Universo è stata creata nel Big Bang, con una parte che si trova presente sotto forma di massa, convertita dalle stelle come descritto dalla famosa equazione di Einstein E=mc2. Il progetto GAMA si propone di mappare e descrivere tutta l’energia generata oggi all’interno di un grande volume di spazio e a diverse epoche nel passato. «Mentre la maggior parte dell’energia presente nell’Universo è stata prodotta a seguito del Big Bang, nuova energia viene costantemente prodotta dalle stelle fondendo insieme elementi come idrogeno e elio», aggiunge Simon Driver. «Questa nuova energia viene assorbita dalla polvere durante mentre si distribuisce all’interno della galassia ospite o sfugge nello spazio intergalattico propagandosi finché non trova un ostacolo, come ad esempio una stella, un pianeta o, per caso, lo specchio di un telescopio». «E’ il frutto di uno sforzo ciclopico» spiega Massimo Della Valle, direttore dell’Osservatorio di Capodimonte dell’Istituto Nazionale di Astrofisica . «Hanno infatti misurato la quantità di energia  emessa da circa 200.000 galassie, contenute in una sezione di universo, negli ultimi 2 miliardi di anni». Un enorme sforzo fatto unendo i dati forniti da telescopi spaziali come Herschel dell’Agenzia Spaziale Europea, Wise della NASA e i ‘tradizionali’ telescopi terrestri come quelli dell’Osservatorio Europeo Meridionale posizionati in Cile. «Sono così riusciti a misurare il tasso di diminuzione della densità di radiazione su un ampio spettro – ha aggiunto Della Valle – in pratica una conferma che l’universo si sta spegnendo e in quale modo». Che l’universo si stesse ‘spegnendo’, a causa della sua espansione, non è infatti una novità. La minore densità delle galassie causata dall’aumento delle distanze prodotto dall’espansione riduce l’emissione di energia nel punto osservato. Ma quello che è importante è che lo studio fornisce nuovi preziosi dati per comprendere meglio l’evoluzione dell’universo e il suo destino finale. I ricercatori sperano ora di espandere il loro lavoro in modo da produrre le mappe del bilancio energetico che riguarda tutta la storia dell’Universo, usando un insieme di nuove strutture osservative, tra cui il più grande radio telescopio al mondo, lo SKA (Square Kilometre Array), che verrà costruito in Australia e Sud Africa nel prossimo decennio.
di Corrado Ruscica (INAF)

Il fascino di EGS-zs8-1, galassia Lyman-break

EGS-zs8-1 è una galassia Lyman-break con elevato redshift scoperta nell’area settentrionale della costellazione del Boote Alla data della pubblicazione della scoperta (maggio 2015), risultava la galassia con il più alto redshift di qualsiasi altra conosciuta, il che significa la più distante e giovane galassia mai osservata. Il redshift di EGS-zs8-1 è risultato z = 7.73, cioè la luce della galassia ha impiegato 13.04 miliardi di anni per giungere fino alla Terra. Questa galassia mostra un alto tasso di formazione stellare, emettendo picchi di radiazione nella banda dell’ultravioletto, dovuta alla intensa radiazione proveniente dalle stelle blu di nuova formazione; pertanto è stata classificata come galassia Lyman-break in quanto le galassie starburst producono linee di emissione Lyman-alpha. A causa dell’espansione metrica dello spazio il picco di luce emesso dalla galassia è spostato nella banda dell’infrarosso dello spettro elettromagnetico. La galassia ha una distanza comovente (la distanza percorsa dalla luce moltiplicata per la costante di Hubble, a causa dell’espansione metrica dello spazio) di circa 30 miliardi di anni luce dalla Terra. EGS-zs8-1 si è formata 670 milioni di anni dopo il Big Bang, durante il periodo della reionizzazione. Questa galassia risulta essere più grande rispetto alle altre galassie vicine formatesi in una fase in cui l’universo era così giovane. La massa della galassia, al momento in cui ha emesso la luce che noi osserviamo, doveva essere all’incirca il 15% della massa attuale della Via Lattea, formando nuove stelle con un tasso di 80 volte quello attuale della Via Lattea (un equivalente di 800 masse solari all’anno) Le stelle presenti in EGS-zs8-1 hanno un’età compresa tra 100 e 300 milioni di anni. L’età di EGS-zs8-1, pone questa galassia, nella fase di reionizzazione dell’evoluzione dell’universo, un momento in cui l’idrogeno extragalattico passava da forma neutra allo stato ionizzato. La scoperta di EGS-zs8-1, e delle altre galassie formatesi precocemente, fa ritenere che siano state proprio esse stesse la causa della reionizzazione. Nel 2013, l’astronomo Pascal Oesch dell’Università di Yale scoprì casualmente l’oggetto esaminando alcune immagini riprese dal Telescopio Spaziale Hubble. L’esistenza dell’oggetto è stata confermata utilizzando il Telescopio Spaziale Spitzer. Quindi è stato effettuato il calcolo del redshift con l’utilizzo del Multi-Object Spectrometer for Infrared Exploration (MOSFIRE) del W.M. Keck Observatory nelle Hawaii, che ha permesso di determinare con precisione l’età della galassia. Nel maggio 2015 Oesch e colleghi dell’Università di Yale e dell’Università della California, Santa Cruz annunciarono la scoperta di EGS-zs8-1 che ha battuto, di circa 30 milioni di anni, il precedente record di galassia più antica detenuto da z8_GND_5296, considerando a parte l’incerto redshift della galassia UDFj-39546284 alla quale era stato addirittura inizialmente attribuito un z=11.9 messo in dubbio da ulteriori rilevazioni.

La nebbia di carbonio all’alba cosmica

La luce del Sole che sorge sull’altopiano di Chajnantor, in Cile, fa risplendere le 66 antenne paraboliche semovibili da 12 metri di diametro che costituiscono ALMA, l’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Frutto di un progetto congiunto tra Stati Uniti, Europa e Giappone, ALMA è l’osservatorio più esteso del mondo, ed è lo strumento migliore per scrutare un’altra alba: quella dell’universo. Un nuovo studio pubblicato su Nature racconta infatti come nuove osservazioni effettuate con ALMA abbiano permesso, per la prima volta, di individuare le deboli tracce lasciate dagli atomi di carbonio che permeavano le atmosfere interstellari di galassie primordiali, risalenti a un solo miliardo di anni dopo il Big Bang.  Questo risultato indica agli scienziati che anche quell’epoca così primordiale le galassie “normali” erano già completamente formate e già piene di carbonio, pur risultando chimicamente “immature” rispetto a galassie similari ma con qualche miliardo di anni in più. In queste ultime, la maggior parte del carbonio ionizzato si trova condensato in grani di polvere, piuttosto che in semplici molecole organiche come il monossido di carbonio (CO). «Gli astronomi stanno cercando di capire meglio come si sia passati dal gas primordiale del Big Bang agli atomi pesanti e alle molecole complesse che troviamo nelle galassie in tutto l’universo», spiega Peter Capak, del California Institute of Technology e autore principale dello studio. «Prima di ALMA, non c’era modo di esaminare direttamente galassie molto giovani, e quindi molto molto distanti, perché ogni emissione radio dovuta al carbonio sarebbe risultata semplicemente troppo debole da rilevare». Grazie alla sua sensibilità senza precedenti, il radiotelescopio ALMA è stato in grado di rilevare un antico “bagliore”, emesso a lunghezze d’onda millimetriche da atomi di carbonio ionizzato, vaganti tra le stelle di nove giovani galassie estremamente distanti, a quasi 13 miliardi di anni luce. La radiazione proveniente da queste galassie, oggi captata da ALMA, è stata originata quando l’universo aveva solo il sette per cento della sua età attuale. All’epoca di formazione delle prime galassie, per un periodo che viene spesso indicato come “gli albori del cosmo” (cosmic dawn), la maggior parte dello spazio tra le stelle era riempito con una miscela di idrogeno e di elio prodotti nel Big Bang. Mano a mano che le successive generazioni di stelle massicce concludevano la loro breve ma brillante vita, esplodendo in supernove, irroravano il mezzo interstellare con una sottile polvere di elementi pesanti, per lo più di carbonio, silicio e ossigeno, forgiati nelle loro fornaci nucleari. «La particolare firma spettrale del carbonio ionizzato è stata a lungo considerata uno strumento potenzialmente efficace per studiare l’arricchimento di galassie con elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio», dice il co-autore Chris Carilli del National Radio Astronomy Observatory. «I risultati di questo lavoro dimostrano chiaramente questo potenziale e fanno presagire un grande futuro per questo tipo di studi». Poiché il carbonio ha una spiccata affinità per gli altri elementi chimici, non resta a lungo in uno stato ionizzato senza legarsi, per costituire molecole organiche più o meno complesse. Per questo motivo, in genere, il carbonio si trova in concentrazioni molto più basse rispetto ad altri elementi pesanti nel mezzo interstellare. Questo rende il carbonio ionizzato un ottimo tracciante per galassie non “evolute” relativamente giovani, in quanto, come spiega Capak, «è in netto contrasto con le galassie con appena 2 miliardi di anni in più, che sono piene di una polvere di elementi pesanti e presentano una concentrazione molto più bassa di carbonio ionizzato». I ricercatori hanno anche utilizzato i dati in queste stesse osservazioni come una sorta di autovelox intergalattico, rilevando velocità di punta per il gas interstellare presente in queste galassie fino a 380 chilometri al secondo. «Si tratta di una misura che in precedenza era impossibile per galassie così distanti», commenta Capak. «Si apre una nuova finestra nella comprensione di come le prime galassie si siano formate ed evolute». Le velocità osservate da ALMA sono simili sia a quelle osservate in normali galassie dove avviene formazione stellare, più vecchie di qualche miliardo di anni, sia nell’universo “vicino” all’epoca attuale. I dati ALMA mostrano anche che la massa di ciascuna di queste distanti galassie si attesta tra 10 e 100 miliardi di volte la massa del Sole, una quantità paragonabile alla massa della Via Lattea. Questi risultati hanno sorpreso gli astronomi, perché finora avevano ipotizzato che una tipica galassia nell’universo primordiale dovesse essere meno energica e possedere una masse inferiore rispetto a quelle osservate in epoche successive. Invece, grazie ad ALMA è stato possibile scoprire che, pur comparso da poco sul palcoscenico cosmico, il nostro giovane universo era già in grado di sfornare quelle che gli astrofisici ritengono galassie di taglia normale. Galassie tuttavia ancora immature dal punto di vista chimico, in attesa di una feconda farcitura di nutriente polvere cosmica.
di Stefano Parisini (INAF)

L’origine dei buchi neri supermassicci

Gli astronomi non hanno ancora una risposta definitiva sui processi che riguardano la formazione dei buchi neri supermassicci. Oggi, però, uno studio condotto da alcuni ricercatori del Center for Astrophysics di Harvard tenta di far luce su quelli che vengono definiti “siti cosmici” da cui avrebbero origine questi mostri del cielo. I risultati, pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, aiuteranno gli scienziati a comporre il puzzle che permetterà, si spera, di descrivere l’evoluzione di questi oggetti esotici che risiedono nel cuore delle galassie Il processo che riguarda la nascita e l’evoluzione di un buco nero non può essere paragonato a quello di piantare un seme nel terreno e aggiungere dell’acqua. Gli oggetti più massivi si possono pensare come dense aggregazioni di materia, letteralmente come dei “pozzi senza fondo”: qualsiasi cosa che vi cade dentro non è più in grado di fuoriuscire. I buchi neri possono avere varie dimensioni. Quelli più piccoli, che hanno una massa alcune volte superiore a quella del Sole, si originano dalle esplosioni stellari. Quelli più grandi, che possono raggiungere milioni o miliardi di volte la massa solare, risiedono nei nuclei di quasi tutte le galassie ed evolvono insieme ad esse nel corso del tempo. Nonostante non sia del tutto chiaro come avviene quest’ultimo processo, gli scienziati ritengono che durante le fasi iniziali dell’evoluzione galattica i buchi neri giochino un ruolo importante e agiscano come una sorta di “sito cosmico” attorno al quale si addensa il materiale. Inoltre, durante le fasi successive del ciclo vitale delle galassie, i buchi neri possono alimentare eventualmente getti di materia man mano che il gas e le polveri si accrescono lungo una struttura a forma di disco che li circonda. Queste fasi attive e avanzate dell’evoluzione dei buchi neri possono addirittura “accendere” le galassie facendole diventare estremamente brillanti, come avviene nel caso dei quasar la cui luminosità è tale da renderli visibili da enormi distanze astronomiche. La domanda è: da dove provengono questi oggetti esotici, in particolare quelli presenti nell’Universo primordiale? Secondo la teoria dell’evoluzione stellare, la morte esplosiva di stelle massicce, un fatto del tutto normale, può durare diverse centinaia di milioni di anni mentre la stella evolve fondendosi con il gas circostante. Successivamente, nella “incubatrice cosmica”, cioè in quella regione dello spazio da cui emergerà il buco nero, si accrescerà del materiale che determinerà nel corso del tempo la formazione di un oggetto supermassiccio. Tuttavia, non è ancora chiaro se esista tempo a sufficienza affinché si abbia questo processo. Infatti, i ricercatori hanno tentato per diversi anni di riprodurre con le simulazioni numeriche ciò che succede durante il collasso gravitazionale del gas, senza ottenere particolari successi. Oggi, Fernando Becerra, Thomas Greif, Lars Hernquist e altri colleghi del Center for Astrophysics (CfA) hanno proposto un altro meccanismo che riguarda laframmentazione del gas primordiale. In altre parole, gli autori hanno simulato il collasso gravitazionale del gas in tante regioni minori, che sono molto più massive, circa 10 mila masse solari, di quelle che caratterizzano i resti delle esplosioni stellari. Si tratta di una simulazione tridimensionale molto dettagliata realizzata con una precisione sorprendente, sia in termini di dimensioni spaziali che di densità del gas. La simulazione (vedasi video) mostra che una volta che la nube di gas diventa otticamente spessa alla radiazione, essa si accresce distribuendosi lungo una struttura a forma di disco che circonda la protostella principale, la cui massa iniziale è di circa 0,1 masse solari. Il tasso di accrescimento e i processi radiativi che fanno raffreddare il gas catalizzano la frammentazione del disco causando la formazione di un piccolo sistema protostellare costituito da 5-10 membri. Dopo circa 12 anni, le interazioni gravitazionali perturbano il disco ed espellono temporaneamente la protostella principale dal centro della nube di gas. Alla fine della simulazione, si osserva il collasso gravitazionale di un gruppo secondario, che si trova alla distanza di circa 150 unità astronomiche da quello principale. Se questo secondo gruppo evolve analogamente al primo, allora la nube di gas può trasformarsi in un sistema binario. Ad ogni modo, l’elevato tasso di accrescimento sia del gruppo primario che del gruppo secondario suggeriscono che il processo di frammentazione non rappresenta un ostacolo significativo che porterà in seguito alla formazione di almeno un buco nero supermassiccio dopo qualche milione di anni. Questi risultati rappresentano comunque un passo avanti che fa luce sulla natura di quei siti cosmici da cui avranno origine le galassie.
di Corrado Ruscica (INAF)

Scontri galattici

L’incontro, sorprendente, tra due grandi ammassi di galassie. E’ la sorpresa avuta con una serie di osservazioni realizzate con il satellite europeo XMM-Newton su un insieme di 900 ammassi di galassie. Questi eventi permettono agli scienziati di vedere quasi ‘a prima vista’ cosa succede durante queste collisioni cosmiche e di predire quale sarà l’evoluzione successiva dell’ammasso di galassie risultante. I risultati sono stati pubblicati su Astronomy and Astrophysics. Gli ammassi di galassie rappresentano i mattoni fondamentali più grandi dell’Universo e stanno ancora crescendo grazie principalmente alle interazioni (omerger) con altri ammassi di galassie. Essi sono costituiti da centinaia o migliaia di galassie all’interno dei quali si trova diffuso il gas caldo, che emette raggi-X di alta energia attraverso il quale gli astronomi possono tracciare perfettamente la struttura di queste enormi megalopoli cosmiche. Quando due ammassi di galassie entrano in collisione, gli scienziati vogliono ottenere maggiori indizi sulla fenomenologia di queste interazioni e sulle proprietà delle singole galassie, tra cui la loro massa. Già nel 2008, un evento del genere venne rivelato in un sistema composto da due ammassi di galassie, denominato con la sigla 1E 0657-558, in cui uno dei due ammassi, noto come Bullet Cluster, rappresenta l’esempio più concreto che viene utilizzato dai cosmologi come prova dell’esistenza della materia oscura. «In generale, le osservazioni nella banda X ci permettono di esplorare in dettaglio la struttura degli ammassi di galassie», spiega Hans Böhringer del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics(MPE) e co-autore dello studio. “In circa uno ogni venti o trenta sistemi, troviamo una chiara evidenza che gli ammassi di galassie si trovano in una fase di merging. Nessuna delle precedenti osservazioni ci ha fornito finora un quadro molto più interessante di quello che abbiamo trovato nell’ammasso di galassie RXCJ2359.5-6042, noto anche come Abell 4067“. Le osservazioni sono state realizzate con il telescopio spaziale XMM-Newton dell’ESA dopo aver selezionato 900 ammassi di galassie distanti dalla ROSAT-ESO Flux Limited X-ray Galaxy Cluster Survey (REFLEX II) relativamente al cielo meridionale della ROSAT All-Sky Survey, che fu eseguita negli anni ’90. Solo grazie ad una analisi più recente e approfondita, condotta da Gayoung Chon del MPE, autore principale dello studio, e dal collega Böhringer, è stato possibile arrivare alla conclusione secondo cui RXCJ2359.5-6042, situato ad una distanza di 1,35 miliardi di anni luce, mostra il merger di un ammasso più piccolo e compatto con un sistema più grande e meno denso. Il sistema più piccolo si muove alla velocità di 1310 Km/sec e sta perdendo gran parte del gas. Inoltre, l’analisi dei dati mostra che il nucleo compatto dell’ammasso, che sta penetrando nel sistema più grande, è sopravvissuto finora alla collisione.

RXCJ2359.3-6042

Nella figura si vede l’emissione X più estesa e meno densa dell’ammasso maggiore all’interno del quale si può osservare una sorgente X compatta con una coda che attraversa l’ammasso. Il nucleo brillante sta passando di taglio a destra della regione centrale dell’ammasso maggiore, proprio come un proiettile, senza essere perturbato, mentre gli strati più esterni del nucleo vengono spazzati via. «Ciò che stiamo osservando può essere interpretato come il risultato di quello che rimane di un ammasso più piccolo e più denso che sta precipitando nell’ammasso maggiore», aggiunge Chon. «La sorgente più brillante è chiaramente estesa e il suo spettro X riflette quello di un gas relativamente freddo ad una temperatura di circa 20 milioni di gradi (circa 1,5 KeV), mentre il gas presente nell’ammasso più grande ha una temperatura di circa 40 milioni di gradi (circa 3,5 KeV)». Ora, mentre le immagini mostrano una coda di gas caldo, la parte più significativa della sua massa, cioè quella costituita dalla materia oscura, crea la propria coda lungo un’altra direzione. I ricercatori stimano che la galassia abbia un peso pari a circa 200 trilioni di Terre mentre risulta più complicato ‘pesare’ la materia oscura essendo Abell 4067 meno massivo e l’interazione decisamente più lenta rispetto al Bullet Cluster. Questi eventi permettono agli scienziati di vedere quasi ‘a prima vista’ cosa sta accadendo quando avvengono tali collisioni cosmiche e di capire quale potrà essere l’evoluzione successiva dell’ammasso di galassie. «In questo caso, possiamo osservare il processo di merger molto chiaramente poichè la collisione avviene vicina al piano del cielo, ossia la vediamo quasi di fronte», dice Chon. «Inoltre, possiamo predire l’evoluzione del merger nel corso dei prossimi miliardi di anni. Pensiamo che il gas presente nella coda dell’ammasso più piccolo verrà diffuso nell’ammasso più esteso e il nucleo brillante troverà alla fine la sua strada dirigendosi verso il centro dell’ammasso risultante dall’interazione gravitazionale dei due, formando così un nuovo nucleo centrale di un ammasso ancora più massivo». Chon and Böhringer, che hanno già avuto il “via libera” ad approfondire le osservazioni del “nuovo Bullet Cluster”, continueranno a studiare ancora più in dettaglio l’interazione tra i due ammassi con la speranza di saperne di più sul comportamento delle galassie, in particolare quando esse si trovano sotto stress, e sull’evoluzione più in generale dell’ammasso di galassie risultante dal merger. Dalle prossime osservazioni ci si aspetta, ad esempio, di ottenere nuovi dati sulla quantità di gas che circonda la sorgente più brillante e di raffigurare possibilmente l’onda d’urto della collisione. Infine, ricordiamo che, tra circa 4 miliardi di anni, anche la Via Lattea diventerà una sorta di “proiettile cosmico” quando entrerà in collisione con Andromeda. A quell’epoca, in un futuro molto lontano, potremo dire che queste interazioni galattiche saranno certamente molto più che un fatto di natura puramente accademica.
di Corrado Ruscica (INAF)

La più grande mappa dell’Universo con SKA

Un folto gruppo di ricercatori provenienti da diversi paesi in tutto il mondo sta costruendo le fondamenta di un progetto che sembra destinato a produrre risultati davvero straordinari: realizzare la più estesa e dettagliata mappa dell’Universo utilizzando quello che fra qualche anno sarà il network di radiotelescopi più grande al mondo. Si tratta dello Square Kilometre Array (SKA), di cui abbiamo già parlato ampiamente su Media INAF, che conterà migliaia e migliaia di ricevitori radio, antenne, dischi sparsi tra Sudafrica e Australia a cui stanno lavorando esperti, ingegneri, scienziati e industrie di tutto il mondo. In questi giorni un grande numero di lavori del gruppo SKA che si occupa di cosmologia è stato pubblicato su ArXiv per descrivere al mondo accademico tutte le idee, i progetti e e le ipotesi per cui verrà utilizzata questa immensa schiera di radiotelescopi, che avranno un’ area di raccolta di ben 1 chilometro quadrato. I documenti in corso di pubblicazione sono parte di una più ampia serie di circa 130 documenti che coprono tutti gli argomenti scientifici del progetto, come le pulsar, il magnetismo cosmico, le prime fasi dell’Universo e la ricerca di vita oltre il nostro pianeta. Gli esperti hanno affermato che la chiave per la mappatura del cosmo è rilevare la debole emissione radio dell’idrogeno, l’elemento più comune dell’Universo. «Lo vediamo ovunque – ha detto Phil Bull, ricercatore presso l’Università di Oslo in Norvegia – e questo lo rende ideale per aiutarci a capire come la materia è distribuita in tutto lo spazio». Parliamo ovviamente anche della misteriosa materia oscura, che è completamente invisibile ai telescopi, ma può essere rilevata attraverso la sua attrazione gravitazionale su altri oggetti, come le galassie contenenti idrogeno, appunto. Tradizionalmente per mappare la posizione delle galassie si usa proprio la debole emissione radio dell’idrogeno e le si osserva abbastanza a lungo da misurare le loro proprietà, come la distanza dalla Terra. «Se ci sono più galassie nel campo di vista si ottiene una serie di picchi a varie lunghezze d’onda, proporzionali alla loro distanza, e quindi si trovano numerosi punti (galassie) che delineano una distribuzione in 3D nel cielo», ha spiegato a Media INAF Roberto Scaramella, ricercatore presso l’INAF – Osservatorio Astronomico di Roma. All’inizio degli anni 2020 inizieranno ufficialmente le osservazioni con le antenne di SKA e verso il 2030 i ricercatori sperano di avere trovato già miliardi di galassie (e pensate che finora la più importante survey in questo campo ha mappato la posizione solo di circa un milione di galassie). Un’interessante opzione alternativa sviluppata dai ricercatori che lavorano allo Square Kilometre Array è quella di effettuare una rapida scansione del cielo con i radiotelescopi sacrificando la precisione nei dati analizzando, però, un’area molto più grande in un breve periodo di tempo. «Questo potrebbe darci una mappa a bassa risoluzione», ha detto Mario Santos, dell’Università di Western Cape, «ma questo è già sufficiente per iniziare a rispondere ad alcuni seri interrogativi circa la geometria dell’Universo e la natura della gravità». I risultati di questo tipo di indagine potrebbe essere pronti già nel 2025. Scaramella ha aggiunto: «SKA è un complesso progetto di rilevanza mondiale che consentirà enormi sviluppi in campo radioastronomico, grazie alla grande area collettrice prevista – che consentirà di captare segnali molto deboli -, alla varietà di antenne e alla loro distanza che consentono una grande risoluzione angolare». Il ricercatore dell’Osservatorio di Roma ha sottolineato che «uno degli aspetti innovativi è dato dal poter accedere a nuove frequenze e quindi al poter effettuare studi sull’Idrogeno neutro (HI), il quale ha una riga caratteristica a 21cm, fino a distanze di interesse cosmologico. In pratica si potranno misurare le distanze e caratteristiche di centinaia di milioni delle galassie che contengono molto HI». «Lo scopo principale è – ha aggiunto – quello di studiare le disposizione spaziale delle galassie, la cosiddetta “struttura a larga scala” [LSS], e la sua evoluzione temporale tramite misure statistiche (funzioni di correzioni spaziali, aspetti topologici). Le caratteristiche e l’evoluzione della LSS sono guidate infatti dalla gravità e dalle condizioni iniziali. Queste ultime sono studiate tramite il fondo cosmico a microonde, mentre e gli effetti gravitazionali sono dominati dalla “materia oscura” e della “energia oscura” (oscure perché entrambe non interagiscono con la luce). Gli effetti di quest’ultima – una possibile spiegazione della espansione accelerata dell’Universo osservata una quindicina di anni fa tramite lo studio delle Supernovae ad alto redshift – sono massimi ai bassi redshift. Quindi moltissimi progetti osservativi in cosmologia hanno per oggetto l’acquisizione di informazioni per un enorme numero di galassie. Finora questi studi cercano informazioni derivate da misure in banda ottica o vicino infrarosso da terra tramite spettroscopi multioggetto (es. VIMOS ad ESO, vedi la recente survey VIPERS, guidata dall’Osservatorio di Brera) da futuri telescopi dedicati (in USA il Large Survey Synoptic Telescope, LSST) o dallo spazio con la prossima missione ESA Euclid, che nuovamente vede l’Italia tra i capofila. Ora si aggiungerà SKA, con il vantaggio di impiegare tecniche diverse e quindi avere diversa origine per incertezze sperimentali. La complementarietà dei mezzi quindi consentirà opportuni confronti dei risultati e maggior fiducia in essi, cosa cruciale data la difficoltà delle misure e quella dell’interpretazione a causa dei molti disturbi di cui tenere conto». «L’uso di fonti di metodi di acquisizione dei dati diversi contribuirà enormemente a controllare e domare le possibili fonti di incertezza,  specialmente quelle sistematiche», ha detto Scaramella. «L’Italia – ha spiegato – è in prima fila tra i partecipanti al progetto SKA anche grazie alle acclarate competenze e tradizioni nel campo radio, concentrate all’Istituto di Radioastronomia di Bologna e all’Osservatorio di Cagliari e che consentono di gestire le grandi antenne di Medicina, Noto e quella nuovissima in Sardegna (il Sardinia Radio Telescope, SRT)». La comunità Italiana ha recentemente prodotto un volume che racchiude i suoi interessi scientifici nel progetto SKA (CLICCA QUI) . Alcuni dei più grandi interrogativi in ambito astronomico riguardano proprio la materia e l’energia oscura. Alvise Raccanelli, dalla Johns Hopkins University (Stati Uniti): «SKA consentirà di effettuare indagini sempre più precise sull’energia oscura. Utilizzando mappe 3D della distribuzione delle galassie possiamo anche testare la teoria della Relatività Generale di Einstein, meglio di ogni esperimento presentato finora», ha aggiunto. Ed è proprio la teoria di Einstein un’altra priorità assoluta per i cosmologi. «Questo farà luce sul fatto che vi sia una quinta forza della natura», ha spigato Zhao Gongbo dei National Astronomical Observatories della Cina. Questi risultati apriranno la strada anche per l’indagine di cosa sia davvero successo nei primi momenti dopo il Big Bang. «Quello che succede a questa scala di distanze ci dice qualcosa in più su come il neonato Universo si comportava quando aveva solo una piccola frazione di secondo», ha dichiarato Stefano Camera, ricercatore presso il Jodrell Bank Centre for Astrophysics dell’Università di Manchester. Le misure permetteranno ai ricercatori di analizzare più da vicino l’inflazione cosmica, il processo che si ritiene abbia distribuito i semi di strutture come le galassie e superammassi che vediamo oggi. Scaramella ha detto ancora: «Lo scopo finale è misurare le sottili differenze predette dai possibili modelli che cercano di spiegare il fenomeno dell’espansione accelerata. Infatti invece che dalla presenza di una “energia oscura” l’espansione accelerata potrebbe essere invece dovuta a modifiche della Relatività Generale, teoria della quale proprio quest’anno cade il centenario. Il poter capire se esiste una ulteriore (e ignota) componente che domina gravitazionalmente l’Universo, ovvero se questa non esiste ma è sono le stesse leggi della gravitazione a dover essere modificate, è ovviamente di estremo interesse e SKA promette di essere uno dei maggiori strumenti con cui perseguire questa ricerca fondamentale». Secondo gli scienziati, non è solo cercando nel passato che riusciamo a capire come funziona l’Universo. «Osservando un miliardo di galassie in due date diverse, a dieci anni di distanza, SKA sarà in grado di misurare l’espansione dell’Universo direttamente», ha sottolineato Hans-Rainer Klöcknerdel Max-Planck Institute for Radioastronomy in Germania. Con SKA, oltre a creare una mappa 3D, si creerà anche una mappa bidimensionale usando le emissioni delle onde radio delle galassie: ce ne saranno milioni nella Fase 1 e miliardi nella Fase 2 e ciò permetterà agli astronomi di verificare la forma dell’Universo. La mappe 2D forniranno alla comunità scientifica un nuovo modo di studiare come i raggi luce vengono piegati dalla gravità (weak lensing). «Misurando piccole distorsioni nella forma delle galassie viste da SKA speriamo di seguire l’evoluzione delle strutture nella materia oscura nel corso del tempo cosmico», ha detto Ian Harrison, anche lui ricercatore presso l’Università di Manchester.
Per saperne di più:
Clicca QUI per leggere tutti gli studi su ArXiv.org

Come si formano le stelle?

Il mistero inizia nello spazio interstellare, cioè nell’immenso spazio vuoto che esiste tra le stelle, dove sono presenti enormi nubi molecolari, composte principalmente di idrogeno, la cui massa può raggiungere migliaia se non milioni di volte la massa del Sole. Queste nubi alla fine condensano e danno luogo alla nascita di nuove stelle. Fin qui nulla di strano. Tuttavia, ciò che lascia perplessi gli astronomi, sin già dagli anni ’70, è il fatto che solo una minima frazione della materia delle nubi molecolari si trasforma per creare una stella. «L’attività stellare, gli effetti collettivi dovuti alle supernovae, la radiazione, il calore, la presenza del gas e i venti stellari possono regolare l’evoluzione delle galassie e spiegare come mai queste strutture hanno trasformato così poco gas presente nelle stelle», spiega Philip Hopkins, astrofisico del CalTech che ha guidato uno studio su questo aspetto della formazione stellare. Al contrario, le previsioni che sono state ottenute con le migliori simulazioni numeriche realizzate in precedenza indicano che tutta la materia della nube molecolare collassa formando la stella. «È ciò che stavamo cercando di capire, per la prima volta, mettendo nelle nostre simulazioni le leggi della fisica che riguardano quello che sappiamo delle stelle e del gas circostante», continua Hopkins. Per risolvere il mistero, gli scienziati hanno istituito una collaborazione a cui hanno partecipato i ricercatori del CalTech, delle tre Università della California a Berkely, a San Diego e a Irvine, della Northwestern University e dell’Università di Toronto. Le simulazioni numeriche delle galassie da loro condotte sono state realizzate facendo uso delsupercomputer Stampede del Texas Advanced Computing Center (TACC), una risorsa dell’ Extreme Science and Engineering Discovery Environment-allocated (XSEDE) finanziata dalla National Science Foundation. I ricercatori hanno prodotto un nuovo insieme di modelli numerici di galassie denominato FIRE, che sta per Feedback in Realistic Environments, concentrando la potenza di calcolo su scale cosmologiche di dimensioni pari ad appena qualche anno luce. «Abbiamo iniziato a simulare singole stelle in piccole regioni della galassia, dove siamo in grado di seguire ogni singola esplosione stellare», dice Hopkins. «Ciò permette di costruire un modello che viene poi inserito, di volta in volta, in una simulazione relativa ad un’intera galassia. Quindi, si realizzano varie simulazioni di un singolo pezzo di universo e si continua a procedere in questo modo». Hopkins ha sviluppato il codice in locale su un cluster del CalTech mentre il supercomputer Stampede ha fatto la parte del leone. «Quasi tutte le simulazioni sono state eseguite sulle risorse XSEDE», dice Hopkins. «In particolare, il supercomputer Stampede si è dimostrato veramente una macchina ideale ed è stato molto veloce, avendo una grande memoria di calcolo condivisa con tanti processori. Inoltre, anche i tempi di calcolo sono stati decisamente inferiori di quanto avevamo inizialmente previsto e grazie ad una serie di ottimizzazioni siamo stati in grado di far girare le simulazioni su migliaia di CPU alla volta, un record per un problema astrofisico di questo tipo». Il realismo raggiunto dalle simulazioni FIRE ha sorpreso lo stesso Hopkins. In passato, alcuni modelli relativi alle esplosioni stellari e ai meccanismi di interazione tra radiazione e gas richiedevano dopo ogni calcolo una serie di correzioni manuali del modello. «Il momento più sbalorditivo», dice Hopkins, «fu quando decidemmo di inserire la fisica che pensavamo fosse mancata nei modelli precedenti. Infatti, una volta eseguita la simulazione osservammo alla fine che avevamo creato una ‘galassia reale’ in cui solo qualche percentuale di materiale era stato trasformato in stelle anzichè tutta la materia come si pensava in precedenza». Insomma, FIRE ha permesso di ricreare al computer le galassie tipicamente più piccole e ora Hopkins vuole consolidare il suo successo. «Adesso vogliamo esplorare i casi più strani, cioè studiare quelle galassie che hanno in qualche modo dimensioni o masse insolite», conclude Hopkins. Non solo, ma il passo successivo sarà quello di simulare quelle galassie più grandi che contengono un buco nero supermassiccio nel loro nucleo, come la nostra Via Lattea.
di Corrado Ruscica (INAF)

Ma quando è nato l’Universo?

È tempo che gli astronomi cercano di capire esattamente come l’universo si sia evoluto, dalle origini della sua storia 13,4 miliardi di anni fa, all’epoca del Big Bang, al cosmo di galassie e sistemi stellari che conosciamo e in cui oggi siamo immersi. Su tutti le domande ancora aperte, il modo in cui le galassie si formano e si sviluppano è oggetto di un acceso dibattito. Ora un gruppo di ricercatori sembra dipanare la matassa: utilizzando il lavoro frutto dello sforzo collettivo di centinaia di migliaia di persone, che si sono offerte come volontari per il progetto Galaxy Zoo, gli scienziati della Oxford University sono giunti alla conclusione che le galassie si siano stabilizzate nella loro forma attuale circa 10 miliardi di anni fa. Ovvero 2 miliardi di anni prima di quanto si pensasse. Il team di ricerca guidato da Brooke Simmons, Oxford University, racconta la scoperta in un paper appena pubblicato fra le Monthly Notices della Royal Astronomical Society. Gli scienziati hanno chiesto aiuto ai volontari di Galaxy Zoo, interessante esperimento di collaborazione scientifica dal basso, e hanno lasciato loro il compito di classificare per forma decine di migliaia di galassie, quelle fotografate dall’obiettivo del telescopio spaziale Hubble. Si tratta in generale di oggetti molto distanti e che si mostrano a noi come dovevano apparire 10 miliardi di anni fa, quando l’Universo era ancora un ‘cucciolo’ da 3 miliardi di anni – meno di un quarto della sua età attuale. Il dato sorprendente è che queste galassie appena classificate dagli amici dello Zoo, sono inaspettatamente simili a quelle che vediamo ancora oggi nel nostro immediato vicinato cosmico, l’Universo attuale: dischi, sbarre e bracci a spirali, tutte cose che conosciamo bene. Secondo i teorici il processo di formazione delle galassie, per come le conosciamo, non si sarebbe dovuto concludere prima di 8 miliardi di anni fa. Qui siamo di 2 miliardi di anni in anticipo sulle previsioni. Tutto sembra essersi sistemato prima del previsto. «Quando abbiamo iniziato a rovistare fra queste galassie – spiega Brooke Simmons – non avevamo un’idea precisa di cosa veramente avremmo potuto trovare. Sapevamo che secondo i modelli e le simulazioni delle galassie non avremmo dovuto trovare nessuna delle caratteristiche che oggi possiamo osservare nel vicino Universo: galassie barrate, a spirale, evolute. Galassie così giovani dovevano essere ancora troppo agitato per aver concluso un processo di formazione». «Ora sappiamo che non è così. Grazie a un lavoro titanico e collettivo abbiamo un’immagine più chiara di molte migliaia di galassie lontane. E il processo di formazione galattica è evidentemente più rapido di quanto mai abbiamo immaginato».
di Davide Coero Borga (INAF)

Reionizzazione? Chiedi alle galassie vicine

Anche l’universo ha la sua età oscura. Un periodo, tra circa 400.000 e poco meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, in cui non si riesce proprio a trovare neanche un flebile segnale elettromagnetico che possa raccontarci che cosa sia avvenuto. Tutta la radiazione è stata assorbita dall’idrogeno neutro, il principale costituente dell’universo primordiale presente in quell’epoca, da cui si sono formate le prime stelle che hanno illuminato l’universo. Da quelle stelle, soprattutto le più massicce, è partita poi la radiazione ultravioletta che ha ionizzato nuovamente l’idrogeno, rendendo finalmente ‘trasparente’ l’universo. Consolidata questa ricostruzione dei fatti, il dibattito tra gli scienziati è invece assai vivace riguardo a quali siano state le galassie primordiali che hanno contribuito al processo di reionizzazione e quali erano le loro proprietà. Erano solo quelle molto grandi? Oppure il merito va alle tante ma di taglia più piccola? Le varie ipotesi hanno bisogno di conferme sperimentali e, grazie al continuo miglioramento della strumentazione, gli astronomi si sono spinti tanto lontano nello spazio e quindi indietro nel tempo, fino a raccogliere la flebile luce di quelle galassie che per prime sono ‘emerse’ da quella nebbia primordiale. Il lavoro comunque è estremamente difficile e soggetto ancora a molte incertezze osservative. Perché allora, invece di andare a cercare ai confini dell’universo, non scrutiamo nel nostro vicinato cosmico per trovare galassie che potrebbero essere dei validi ‘sosia’ di quelle che hanno reionizzato l’universo tredici miliardi di anni fa?
E’ proprio partendo da questa domanda che il team di ricercatori guidato da Sanchayeta Borthakur, della Johns Hopkins University di Baltimora, Stati Uniti, ha individuato quello che secondo loro potrebbe essere un valido esempio di galassia ‘vicina’ e simile per vari aspetti a quelle che hanno contribuito alla reionizzazione. J0921+4509 – questa la sua sigla – si trova a circa 3 miliardi di anni luce da noi ed ha un notevole tasso di formazione stellare, sfornando ogni anno nuovi astri per una massa complessiva di 50 volte quella del nostro Sole. In più, la sua regione centrale è molto densa e ricca di stelle, molte delle quali massicce e in grado di produrre intensi venti stellari composti di gas neutro e ionizzato che viaggiano a velocità elevatissime, che possono facilmente superare i 3 milioni di chilometri orari. Tutti indizi che hanno convinto i ricercatori che quella potesse essere un ottimo candidato da studiare ulteriormente per cercare la risposta alla domanda più importante: da quella galassia fuoriesce anche una significativa quantità di radiazione ultravioletta, quella capace di ionizzare l’idrogeno neutro?
Le osservazioni spettroscopiche condotte con il telescopio spaziale Hubble e il suo strumento COS (Cosmic Origins Spectrograph) hanno evidenziato la presenza di intensi venti stellari, segno della presenza di giovani stelle massicce, le più efficienti sorgenti di radiazione ionizzante. Radiazione ionizzante che è stata effettivamente osservata uscire da quella galassia, nonostante la presenza attorno ad essa di polveri che potrebbero assorbire questa emissione. Per i ricercatori che hanno condotto lo studio, in pubblicazione sul prossimo numero della rivista Science, sarebbero proprio i venti interstellari a creare delle ‘fratture’ in questo guscio, dalle quali emergerebbero i raggi ultravioletti osservati.
«Attualmente le conferme dirette di radiazione ionizzante di origine stellare uscente da galassie sono molto rare e quelle esistenti sono affette da non poche incertezze» commenta Eros Vanzella, dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna. «Quindi la conferma diretta dell’emissione di questa galassia è una buona notizia e potrebbe aprire la via alla identificazione di una classe di sorgenti sulla quale vale la pena eseguire ulteriori approfondimenti, anche a redshift intermedio (z<4). Sarà importante poi legare tali emissioni ai meccanismi fisici che le permettono. Se caratterizziamo questi meccanismi in un regime non ionizzate, ovvero accessibile anche entro l’epoca della reionizzazione, allora i futuri telescopi dallo spazio e da Terra – come il JWST e E-ELT per esempio – potranno “vedere” le sorgenti ionizzanti “all’opera”. Questo vale anche per i nuclei galattici attivi (AGN), notoriamente molto efficienti nel liberare il mezzo interstellare con venti su scala galattica».
di Marco Galliani (INAF)

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