Otto deboli oggetti nelle vicinanze della Via Lattea

Gli scienziati che lavorano al programma scientifico Dark Energy Survey (DES), che utilizza la più potente camera digitale del mondo (Dark Energy Camera, DEC), hanno scoperto ben 8 oggetti celesti molto deboli che si trovano nelle vicinanze della Via Lattea. I dati suggeriscono che si tratta molto probabilmente di galassie nane satelliti, le strutture stellari più piccole e più vicine che conosciamo, così come era stato trovato dallo stesso gruppo di ricercatori agli inizi di quest’anno. I risultati sono riportati su Astrophysical Journal.
Le galassie satelliti sono oggetti celesti di piccole dimensioni che orbitano attorno a galassie più grandi. Le galassie nane possono avere qualche migliaio di stelle, rispetto alle galassie di dimensioni medie, come la Via Lattea, che possono invece contenere fino a qualche centinaio di miliardi di stelle. Secondo gli attuali modelli, le galassie più grandi si formano dall’aggregazione di galassie più piccole che si ritiene siano ricche di materia oscura, quella enigmatica forma di materia che rappresenta il 25 percento del contenuto materia-energia dell’Universo. Dunque, le galassie nane satelliti sono considerate la “chiave” per comprendere la materia oscura e il processo per mezzo del quale si formano le galassie maggiori.
L’obiettivo principale della DES, così come suggerisce il suo nome, è quello di ricavare informazioni sulla natura dell’energia oscura, l’altra enigmatica e maggiore componente dell’Universo che costituisce il 70 percento circa del contenuto materia-energia. Gli scienziati ritengono che l’energia oscura sia responsabile dell’espansione cosmica accelerata. Il programma scientifico DES consiste nel realizzare una serie di immagini di centinaia di milioni di galassie distanti. Ad ogni modo, in alcune immagini si possono osservare le stelle presenti nelle galassie nane che sono più vicine alla nostra galassia. Perciò, gli stessi dati possono essere utilizzati per studiare da un lato l’energia oscura, che sta facendo allontanare le galassie creando spazi sempre più vuoti, e dall’altro la materia oscura, che rappresenta una sorta di “scheletro” su cui si appoggiano le strutture cosmiche.
Le galassie nane più deboli possono essere osservate solamente quando esse sono vicine e, di fatto, ne sono state già identificate alcune di esse. L’idea è che se questi nuovi oggetti sono rappresentativi dell’intero cielo, ce ne potrebbero essere molti altri nel nostro “vicinato cosmico”. «Proprio quest’anno, sono state individuate più di una ventina di galassie nane satelliti candidate, 17 delle quali sono state trovate dalla survey DES», spiega Alex Drlica-Wagner del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) presso il Department of Energy’s (DOE) degli Stati Uniti, uno dei responsabili dell’analisi dei dati del programma scientifico DES e autore principale dello studio. «Abbiamo quasi raddoppiato il numero di questi oggetti in appena un anno, il che è notevole».
Lo scorso mese di Marzo, i ricercatori della DES e un gruppo indipendente dell’University of Cambridge annunciarono la scoperta di 9 galassie nane presenti nelle immagini ottenute con la Dark Energy Camera, la straordinaria camera digitale che rappresenta il cuore stesso della DES (vedasi l’articolo I nuovi vicini della Via Lattea). Due di queste sono state poi confermate come galassie nane satelliti. Prima del 2015, gli astronomi avevano individuato solo due dozzine di tali galassie distribuite attorno alla Via Lattea. «DES ci sta permettendo di trovare oggetti così deboli che sarebbero stati molto difficili da individuare con le osservazioni precedenti», dice Keith Bechtol della University of Wisconsin-Madison e co-autore dello studio. «La scoperta di così tante galassie-candidate in una regione pari ad 1/8 di cielo potrebbe voler dire che ce ne sono molte altre in orbita attorno alla nostra galassia».
Tra gli 8 oggetti che sono stati identificati, l’oggetto più vicino si trova a circa 80.000 anni luce mentre quello più distante è situato approssimativamente a 700.000 anni luce. Questi oggetti sono, mediamente, un miliardo di volte più deboli della Via Lattea e un milione di volte meno massivi. Un dato curioso: si stima che la galassia nana più debole abbia appena 500 stelle. Inoltre, la maggior parte di essi sono distribuiti nella regione meridionale dell’area coperta dalla DES, in prossimità della Grande e Piccola Nube di Magellano, le due galassie satelliti maggiori della Via Lattea che si trovano, rispettivamente, a 158.000 anni luce e a 208.000 anni luce. È possibile che questi oggetti siano galassie satelliti delle Nubi di Magellano, il che sarebbe di per sé una scoperta. «Se fosse così, sarebbe un risultato affascinante», dice Risa Wechsler dello SLAC National Accelerator Laboratory e uno dei membro di DES. «L’esistenza di galassie satelliti di altrettante galassie satelliti è predetta dai nostri modelli della materia oscura. Forse le stiamo osservando per la prima volta oppure c’è qualcosa che non comprendiamo sulla loro distribuzione spaziale».
Ora, poiché si ritiene che le galassie nane siano costituite principalmente di materia oscura, e da pochissime stelle, esse possono essere considerate un banco di prova ideale per studiare le proprietà della materia oscura. Ulteriori analisi potranno confermare se questi nuovi oggetti siano davvero galassie nane satelliti e se si potranno rivelare eventuali “impronte digitali” riconducibili alla materia oscura. «Questa scoperta molto eccitante è il frutto di un’intensa collaborazione da parte dell’intero team che lavora al progetto DES», aggiunge Basilio Santiago, coordinatore del DES Milky Way Science Working Group e membro del consorzio brasiliano che partecipa al programma di ricerca. «Abbiamo appena iniziato la nostra esplorazione del cosmo e siamo alla ricerca di altre nuove e più eccitanti scoperte negli anni a venire».

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Le 17 galassie nane satelliti candidate sono state individuate nei primi due anni della missione scientifica DES, che sarà ancora operativa per altri 3 anni allo scopo di mappare con dettagli senza precedenti una determinata porzione del cielo sud. Gli scienziati stanno ora esaminando gran parte dell’area coperta dalla survey ma i dati che saranno raccolti nei prossimi tre anni permetteranno di trovare, almeno così si spera, oggetti ancora più deboli, più diffusi o più distanti. La terza stagione della missione DES è appena cominciata.  La mappa mostra la posizione delle 8 nuove galassie nane candidate (triangoli rossi) assieme alle 9 precedenti galassie nane candidate (cerchi rossi) nell’area della survey DES, 5 altri oggetti recentemente identificati al di fuori dell’area DES (rombi verdi) e 27 galassie nane satelliti della Via Lattea note prima del 2015 (quadrati blu). Quei sistemi che sono stati confermati come galassie satelliti sono stati nominati singolarmente. Crediti: A. Drlica-Wagner et al. 2015.

di Corrado Ruscica (INAF)

La Via Lattea dell’Universo primordiale

Una nuova simulazione numerica creata da alcuni astrofisici del McWilliams Center for Cosmology presso la Carnegie Mellon University (CMU) e dalla University of California a Berkeley mostra, per la prima volta, che le grandi galassie a disco, un po’ come la nostra galassia, sarebbero state presenti durante le fasi primordiali della storia cosmica. Gli scienziati hanno trovato che 500 milioni di anni dopo il Big Bang l’Universo doveva essere più ordinato e strutturato di quanto si pensasse. Questi risultati, che appariranno sull’Astrophysical Journal Letters, aiuteranno i ricercatori ad utilizzare i telescopi di nuova generazione, come WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) e JWST (James Webb Space Telescope) verso la ricerca di prove sull’esistenza di queste strutture galattiche primordiali. «Ho una certa soggezione a pensare che galassie come la Via Lattea sono esistite quando l’Universo era ancora giovane», spiega Tiziana Di Matteo della CMU e co-autrice dello studio. «C’è da dire che le osservazioni più profonde realizzate con il telescopio spaziale Hubble hanno coperto solamente piccoli volumi di spazio e hanno permesso di trovare un certo numero di galassie irregolari e ammassate presenti durante le epoche primordiali. Non è poi così sorprendente che in queste regioni limitate dello spazio alcune delle galassie più piccole non abbiano morfologie regolari come le grandi galassie a disco. Analogamente, anche le simulazioni numeriche sono state limitate in termini di scala spaziale per cui è stato possibile fare solo delle previsioni per quelle galassie primordiali più piccole». Di Matteo e il collega Rupert Croft della CMU, altro co-autore dello studio, si sono sempre occupati di “cosmologia virtuale” e hanno costruito alcune delle simulazioni più grandi che siano mai state realizzate. La loro attuale simulazione, chiamata BlueTides, è 100 volte più grande rispetto alle precedenti. La simulazione è così enorme che ha monopolizzato tutta la memoria del supercomputer BlueWater della National Science Foundation (NSF) e sono stati necessari quasi 1 milione di CPU per completarla. Di Matteo, Croft e il loro ex studente Yu Feng, ora ricercatore post-doc alla University of California a Berkely e autore principale dello studio, hanno costruito la simulazione partendo dai vincoli previsti dalla teoria della materia oscura fredda, l’attuale modello cosmologico standard che tenta di spiegare cosa sia accaduto all’Universo subito dopo il Big Bang. Una volta completata la simulazione, i ricercatori hanno analizzato i dati per vedere i risultati, un po’ come i cosmologi osservativi farebbero dopo aver raccolto i dati da un telescopio. La sorpresa è stata quella di trovare un certo numero di galassie a disco appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Dato che le galassie sono strutture molto grandi e complesse, è opinione comune che esse dovrebbero impiegare molto tempo per formarsi perciò sarebbero rare, se esistessero davvero, nell’Universo primordiale. «Dal punto di vista teorico, pensiamo che quando l’Universo aveva un’età di circa 500 milioni di anni esso doveva essere un luogo alquanto caotico e disordinato», dice Croft. «Le nostre simulazioni hanno invece mostrato che l’Universo delle origini è stato tutt’altro che questo e potrebbe aver contenuto galassie spettacolari e alquanto simmetriche, come la nostra Via Lattea». Inoltre, sempre a partire dalle simulazioni, gli scienziati sono stati in grado di ricavare una serie di parametri relativi alla luminosità, dimensioni angolari, morfologia, colori e numero atteso delle galassie. Quando i telescopi come WFIRST e JWST saranno operativi, sarà possibile dare la caccia a quegli oggetti per verificare se essi descrivono la simulazione BlueTides. Se i risultati delle osservazioni e della simulazione saranno confrontabili potremo affermare di aver ottenuto delle “prove” a favore della teoria della materia oscura fredda. «Stiamo vivendo davvero un momento emozionante nell’ambito della ricerca in cosmologia. Prima, non eravamo in grado di studiare le galassie a disco primordiali con i telescopi perchè le galassie sono troppo deboli e rare. Inoltre, non eravamo in grado di studiarle al computer perchè nessun computer era in grado di soddisfare a queste esigenze. Ora abbiamo la tecnologia per far questo per cui siamo in grado di realizzare le simulazioni grazie ai potenti super computer. Il passo successivo sarà quindi quello di utilizzare i telescopi moderni come WFIRST per eseguire le osservazioni», conclude Di Matteo.
di Corrado Ruscica (INAF)

Un ponte di materia oscura tra il Gruppo Locale e l’Ammasso della Vergine

Utilizzando i migliori dati disponibili per il monitoraggio del traffico galattico, Noam Libeskind del Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) e i suoi collaboratori hanno costruito una mappa dettagliata del moto delle galassie nei nostri dintorni. Nella loro ricerca hanno scoperto un ponte di materia oscura che si estende dal nostro Gruppo Locale fino all’ammasso della Vergine, un enorme ammasso contenente circa 2.000 galassie a 50 milioni di anni luce da noi. Il ponte di materia oscura sembrerebbe essere legato ai due estremi da grandi bolle completamente prive di galassie. Questo ponte e questi vuoti ci aiutano a chiarire un problema di almeno 40 anni che riguarda la curiosa distribuzione delle galassie nane. Le galassie nane si trovano spesso in orbita attorno a massicci “padroni di casa”, come ad esempio la nostra Via Lattea. Dal momento che la loro luminosità è debole, sono difficili da individuare, perciò quelle che osserviamo si trovano quasi esclusivamente nel nostro  vicinato cosmico. Un aspetto particolarmente affascinante della loro esistenza è che nei pressi della Via Lattea e di almeno due dei nostri vicini più prossimi (le galassie Andromeda e Centaurus A) queste galassie satelliti non si muovono lungo traiettorie casuali, ma mostrano orbite ampie e piatte. Tali strutture non sono dunque il semplice risultato del modello di materia oscura fredda, ritenuto dalla maggior parte dei cosmologi il responsabile della formazione di galassie nell’universo. Secondo il modello di materia oscura fredda, infatti, le galassie nane dovrebbero disporsi lungo orbite casuali. Queste galassie nane sono dunque una sfida alle attuali conoscenze. Una possibilità è che queste piccole galassie ripetano la geometria della struttura osservata su scale molto maggiori. «Per la prima volta abbiamo una verifica osservativa del fatto che esistano grandi autostrade di forma filamentosa lungo le quali si canalizzano le galassie nane, che attraversano il cosmo lungo maestosi ponti di materia oscura», dice Libeskind. Lungo queste strutture le galassie satelliti possono essere incanalate e muoversi verso la Via Lattea, Andromeda e Centaurus A. «Il fatto che questo ponte galattico possa influenzare le galassie nane intorno a noi è impressionante, data la differenza di scala fra i due: le orbite delle galassie satelliti hanno dimensioni pari a circa l’1% del ponte galattico verso l’ammasso della Vergine».
di Elisa Nichelli (INAF)

L’Universo si espande oscillando

Secondo due fisici dell’University of Southern Mississippi, Lawrence Mead e Harry Ringermacher  il nostro Universo non solo si sta espandendo ma allo stesso tempo starebbe oscillando. I risultati di questo studio, pubblicati su Astronomical Journal, suggeriscono che l’Universo sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni. Naturalmente si tratta di una conclusione che secondo gli stessi autori dovrà essere provata o smentita raccogliendo ulteriori dati osservativi in particolare dalle supernovae distanti. Tutti abbiamo sentito parlare della “teoria del Big Bang”. Esiste persino un’importante serie televisiva che ha come titolo questa teoria. Secondo questa “teoria”, la storia dell’Universo inizia circa 13-14 miliardi di anni fa quando un evento singolare, il Big Bang, generò lo spazio, il tempo, la materia e l’energia nella forma di tutto ciò che osserviamo oggi come particelle, pianeti, stelle e galassie, inclusa la vita stessa. Il Big Bang indica quel particolare istante che i cosmologi identificano per descrivere l’evento iniziale da cui ha avuto origine l’Universo, una sorta di gigantesca “esplosione dello spazio”, e non nello spazio, un evento singolare che rimane ancora un mistero e dove le leggi della fisica vengono meno. Anche se il Big Bang viene accettato oggi come il quadro teorico più adeguato per descrivere con buona approssimazione l’evoluzione dell’Universo, tuttavia questo modello non permette di spiegare in maniera definitiva né l’origine dell’Universo né cosa c’era eventualmente prima. Infatti, le leggi della fisica, così come noi le conosciamo, non sono in grado di descrivere esattamente la storia dell’Universo ma ci permettono di avvicinarci al momento iniziale e di comprendere la realtà fisica solo attraverso una serie di eleganti approssimazioni. Una volta originatosi, l’Universo si espanse fino a raggiungere le dimensioni attuali, nonostante la gravità dovuta a tutta la materia (materia visibile e materia oscura) tenderebbe a rallentare l’espansione, almeno così si pensava qualche tempo fa. Intanto, nel 1978, Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per la loro importante scoperta della radiazione cosmica di fondo, cioè la radiazione primordiale o la “eco” della grande esplosione iniziale, che essi rivelarono per caso nel 1964 e che rappresenta una chiara evidenza a favore del modello del Big Bang. Nel frattempo, l’acquisizione di una quantità enorme di dati astronomici, grazie soprattutto al progresso tecnologico che ha fornito strumenti sempre più sofisticati, ha permesso di verificare il modello cosmologico con una straordinaria accuratezza. «Poi nel 1998, un’altra fondamentale scoperta dell’espansione accelerata dell’Universo divenne un risultato scioccante quando venne confermata indipendentemente da due gruppi di ricercatori», spiega Mead. «Una nuova forma di energia, detta energia oscura, di natura repulsiva, si ritiene sia responsabile dell’espansione accelerata. Nel 2011, i due gruppi, guidati da Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt vinsero il Premio Nobel per la Fisica». Si ritiene che il passaggio dalla fase di espansione rallentata alla fase di espansione accelerata, cioè il periodo in cui è avvenuta la transizione, risalga approssimativamente a 6 o 7 miliardi di anni fa.

bigbang_expansion_Fig1

Nella figura 1 è mostrato un diagramma realizzato dalla NASA che rappresenta l’evoluzione dell’Universo. Sono illustrati gli eventi principali dall’inizio del tempo fino ad oggi, così come viene descritto dall’attuale modello cosmologico “standard” o “ΛCDM” (Lambda Cold Dark Matter) dove la lettera greca Λ sta ad indicare la famosa costante cosmologica di Einstein, responsabile dell’espansione accelerata dello spazio. La forma a “campana” visualizza l’espansione dello spazio. Il momento della transizione è dato dal punto in cui la forma a campana si apre, dall’interno verso l’esterno, proseguendo da sinistra a destra. «Ciò che abbiamo trovato suggerisce che l’Universo sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni», dice Mead. «Queste oscillazioni sono equivalenti a un ‘suono’ che si sta ormai esaurendo e ora è molto debole, un po’ come quando viene emesso un suono smorzato di un cristallo di vetro quando viene colpito».

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La figura 2 mostra i risultati di questo studio sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. L’ampiezza dell’oscillazione è stata esagerata ma la sua frequenza è indicativamente corretta. Ringermacher e Mead hanno trovato che tale oscillazione non è esattamente un’onda che si propaga attraverso l’Universo, come ad esempio può essere un’onda gravitazionale, piuttosto è essa stessa “l’onda dell’Universo”. «La scoperta è stata fatta per caso quando, grazie ad una collaborazione con altri colleghi che studiano i modelli di materia oscura relativi alla formazione galattica, essi trovarono un nuovo modo di disegnare un grafico, così come viene riportato nei libri di testo, che descrive la variazione delle dimensioni dell’Universo in funzione della sua età e che non dipende dalla scelta a priori dei modelli dell’Universo, come era stato fatto in maniera tradizionale», aggiunge Ringermacher. «Il grafico espresso in termini della variazione delle dimensioni dello spazio in funzione del tempo, cioè il diagramma di Hubble, è stato costruito determinando la distanza delle supernovae di tipo Ia che servono come ‘candele standard’ per misurare le distanze cosmologiche e quindi l’espansione dell’Universo», dice Ringermacher. «Se analizziamo più attentamente la nostra simulazione per localizzare il periodo della transizione, si vede che ce ne stato più di uno, cioè si notano almeno tre massimi e tre minimi, con una frequenza di quasi 7 cicli nel corso della vita dell’Universo. In altre parole, è lo spazio stesso che ha accelerato la sua espansione seguita da una fase di espansione rallentata per ben 7 volte da quando si è originato».

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Mead e Ringermacher concludono affermando che questi risultati dovranno certamente essere verificati da ulteriori studi indipendenti, meglio se provengono da nuove osservazioni di supernovae distanti, per confermare o meno la loro veridicità. Figura 1. Grafico che illustra l’evoluzione del cosmo secondo il modello del Big Bang. Credit: NASA; Figura 2. L’Universo ‘oscilla’ mentre si espande. I risultati di questo studio sono sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead 2015; Il grafico illustra il diagramma di Hubble che descrive l’andamento del fattore scala a(t) in funzione del tempo per le supernovae distanti. In basso sono mostrate le derivate del fattore scala e il best-fit (linea blu) che evidenzia le oscillazioni. Si notano tre massimi (a t= 0.87, 0.71 e 0.56) e tre minimi (a t=0.78, 0.63 e 0.47). Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015.
di Corrado Ruscica (INAF)

Le galassie oscure dell’ammasso di Chioma

L’analisi dell’archivio dei dati astronomici prodotto dalle osservazioni realizzate con il telescopio Subaru ha permesso a un gruppo di ricercatori della Stony Brook University e del National Astronomical Observatory of Japan di rivelare una popolazione di 854 galassie “ultra oscure”, meglio note come Ultra Diffuse Galaxies (UDGs), nell’ammasso della Chioma. Già nel 2014, la scoperta di 47 galassie di questo tipo rappresentò una vera e propria sorpresa ma oggi l’identificazione di quasi un migliaio di galassie oscure suggerisce che gli ammassi di galassie rappresentano la chiave per compendere l’evoluzione di questi oggetti misteriosi. I risultati su Astrophysical Journal. L’ammasso della Chioma, noto anche come Abell 1656, si trova a circa 350 milioni di anni luce dalla Terra nella direzione della costellazione della Chioma di Berenice. È un ammasso molto ricco, contenente circa un migliaio di galassie maggiori, principalmente ellittiche, e migliaia di altre galassie di dimensioni più piccole. Chioma è divenuto famoso negli anni ’30 quando l’astronomo Fritz Zwicky fu il primo ad utilizzare il teorema del viriale per determinare l’esistenza della materia oscura dall’analisi dei moti delle galassie presenti nell’ammasso le cui velocità misurate non potevano essere spiegate solo dalla presenza della materia visibile. Queste galassie “batuffolo” (di cui ne abbiamo già parlato in un recente articolo su Media INAF, Le galassie libellula: grandi, leggere e resistenti) appaiono molto diffuse e decisamente estese, così come viene evidenziato dalla luce emessa dalle stelle che esse contengono. “Non solo questi oggetti appaiono diffusi, ma molto probabilmente sono circondati da qualcosa di molto massiccio”, spiega Jin Koda del Dipartimento di Fisica e Astronomia alla Stony Brook University a autore principale dello studio. La maggior parte hanno dimensioni simili alla Via Lattea ma contengono una quantità di stelle mille volte inferiore. Inoltre, le stelle presenti in questi oggetti estesi sono soggette ad una rapida disgregazione a causa delle intense forze di marea all’interno dell’ammasso. Qualcosa di invisibile deve proteggere i fragili sistemi stellari, qualcosa che abbia una massa elevata: quel “qualcosa” sembra essere correlato proprio ad un eccesso di materia oscura. Si è calcolato che la componente di materia visibile, sostanzialmente composta di stelle, contribuisce solamente all’1% o meno alla massa totale di ogni galassia. Il resto, materia oscura, contribuisce per più del 99%. Grazie al suo grande campo di vista, alla camera a largo campo e alle eccellenti condizioni di osservazione, il telescopio Subaru ha rivelato agli astronomi un dato importante: queste galassie oscure contengono popolazioni stellari vecchie e mostrano una distribuzione spaziale simile a quella delle altre galassie più brillanti presenti nell’ammasso della Chioma, il che suggerisce che si tratta di una popolazione longeva di galassie. In più, la quantità di materia visibile che esse contengono, meno dell’1%, è estremamente più bassa rispetto al valor medio calcolato su scala cosmica. La domanda è: perché queste galassie sono oscure? Secondo i ricercatori, in qualche modo esse avrebbero perso il gas necessario per generare nuove stelle durante o dopo i processi di formazione stellare, in gran parte sconosciuti, miliardi di anni fa. In particolare, l’ambiente stesso in cui si sono evolute queste galassie avrebbe giocato un ruolo fondamentale nel determinare la perdita del gas. Le cause potrebbero essere state dovute ad una serie di meccanismi quali, ad esempio, l’interazione gravitazionale con altre galassie dell’ammasso o l’esplosione simultanea di più stelle innescata dagli scontri galattici. Nonostante queste galassie oscure possano offrire nuovi indizi sulla loro origine ed evoluzione, sarà certamente necessario ottenere nuovi dati per studiarle ancora più in dettaglio nell’ambito del modello standard della formazione galattica. “In futuro, le osservazioni spettroscopiche ci potranno aiutare per studiare con più dettagli la formazione stellare di queste galassie”, dice Koda. Insomma, oltre allo studio delle popolazioni stellari, sarà essenziale esplorare la componente di materia oscura dominante. Sappiamo che la materia oscura è invisibile ma le misure dei moti stellari potranno fornire quegli indizi necessari correlati alla sua presenza e distribuzione spaziale. Tuttavia, al momento queste misure rappresentano solo un sogno perché non sono immediate essendo molto difficili da eseguire. Infatti, è complicato misurare i moti delle stelle persino con il telescopio Subaru. Ad ogni modo, la costruzione del Thirty Meter Telescope (TMT), una collaborazione internazionale alla quale partecipa tra gli altri anche il National Astronomical Observatory of Japan, permetterà di svelare tra qualche anno, almeno così si spera, il mistero di questa particolare classe di galassie.
di Corrado Ruscica (INAF)

 

Il lato oscuro degli ammassi

Gli ammassi globulari sono enormi sfere di migliaia di stelle, in orbita intorno alla maggior parte delle galassie. Sono tra i sistemi stellari più vecchi che si conoscano nell’Universo e sono sopravvissuti per la maggior parte dell’arco della crescita ed evoluzione delle galassie. Matt Taylor, studente di dottorato presso la Pontificia Universidad Catolica de Chile, a Santiago in Cile, e titolare di una borsa dell’ESO è il primo autore di questo nuovo lavoro. Egli descrive il caso: “Gli ammassi globulari e le stelle che li compongono sono la chiave per capire la formazione e l’evoluzione delle galassie. Per decenni gli astronomi hanno pensato che le stelle che formavano un dato ammasso globulare condividessero età di formazione e composizione chimica – ma ora sappiamo che sono creature più strane e più complicate“. La galassia ellittica Centauro A (nota anche come NGC 5128) è la galassia gigante più vicina alla Via Lattea e si sospetta che contenga almeno 2000 ammassi globulari. Molti di questi sono più brillanti e più massicci dei circa 150 in orbita nella Via Lattea. Matt Taylor e il suo gruppo hanno eseguito lo studio finora più dettagliato di un campione di 125 ammassi globulari intorno a Centauro A usando lo strumento FLAMES sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO all’Osservatorio del Paranal nel Cile settentrionale (fino ad oggi gli astronomi hanno studiato con questo dettaglio solo ammassi stellari nel Gruppo Locale. Le distanze relativamente piccole rendono possibili misure dirette delle loro masse. Osservando NGC 5128, che è una galassia ellittica isolata e massiccia appena fuori dal Gruppo Locale, a circa 12 milioni di anni luce di distanza, sono stati in grado di stimare le masse degli ammassi globulari in un ambiente completamente diverso, spingendo VLT/FLAMES ai suoi limiti). Hanno sfruttato queste osservazioni per derivare la massa degli ammassi e confrontare i risultati con la luminosità di ciascuno di essi. Per la maggioranza degli ammassi della nuova ricerca, i più brillanti avevano anche una massa maggiore, come ci si aspettava: se un ammasso contiene più stelle ha una luminosità totale maggiore e una massa maggiore. Ma per alcuni degli ammassi globulari si vedeva qualcosa di strano: erano molte volte più massicci di quello che avrebbero dovuto essere. E, più strano ancora, più massicci erano e maggiore era la frazione di materia che non emette luce. Qualcosa in questi ammassi era scuro, nascosto e massiccio. Ma cosa? C’erano diverse possibilità. Forse l’ammasso oscuro contiene dei buchi neri, o altri resti stellari oscuri nel nucleo? Questo potrebbe spiegare parte della massa nascosta, ma l’equipe di lavoro ha concluso che ci deve essere qualcos’altro. Che dire della materia oscura? Gli ammassi globulari sono considerati quasi privi di questa sostanza misteriosa ma forse, per qualche ragione ancora sconosciuta, alcuni ammassi hanno mantenuto quantità significative di materia oscura nel centro. Questo spiegherebbe le osservazioni, ma non rientra nelle teorie convenzionali. Il coautore Thomas Puzia aggiunge: “La nostra scoperta di ammassi stellari con masse inaspettatamente alte rispetto alla quantità di stelle che contengono suggerisce che ci possano essere diverse famiglie di ammassi globulari, con diverse storie di formazione. Apparentemente alcuni ammassi stellari hanno lo stesso aspetto, si muovono nello stesso modo e e hanno lo stesso odore dei soliti ammassi globulari, ma ci potrebbe essere letteralmente molto più di ciò che si vede!“. Questi oggetti sono ancora un mistero. L’equipe è impegnata anche su una survey più ampia di ammassi globulari in altre galassie e stanno arrivando i primi indizi che questi ammassi scuri si trovino anche altrove. Matt Taylor riassume la situazione: “Siamo inciampati in una nuova e misteriosa classe di ammassi stellari! Questo mostra che abbiamo ancora molto da imparare su tutti gli aspetti della formazione degli ammassi globulari. È un risultato importante e ora dobbiamo trovare altri esempi di questi ammassi scuri intorno ad altre galassie
Comunicato ESO

Il ‘cuore nero’ della Via Lattea

Grazie ad una collaborazione internazionale, che ha visto la partecipazione di varie università, tre ricercatori hanno ottenuto, per la prima volta, delle misure dirette della presenza di materia oscura nelle regioni più interne della Via Lattea, incluso il nostro “vicinato cosmico”. Questi risultati, caratterizzati da una forte evidenza statistica, anche su piccole scale galatticocentriche, forniscono un nuovo strumento d’indagine aprendo così una nuova finestra verso lo studio e la determinazione della distribuzione della materia oscura nella nostra galassia. La materia oscura rappresenta uno dei problemi più importanti della moderna cosmologia. La sua esistenza fu stabilita durante gli anni ’70 del secolo scorso grazie all’utilizzo di diverse tecniche, tra cui la misura delle curve di rotazione del gas e delle stelle, un metodo che permette di ‘pesare’ effettivamente la galassia ospite e di stimare la sua massa totale. Queste misure hanno mostrato che la materia ordinaria, cioè la materia visibile, rappresenta solo una frazione della massa totale poiché la parte predominante esiste sotto forma di materia non visibile, quella che gli astronomi chiamano materia oscura. Applicare questa tecnica alla Via Lattea è possibile e di fatto essa ha permesso di accertare la presenza di materia oscura nelle regioni più esterne della nostra galassia. Finora, però, è stato difficile provare l’esistenza di questa enigmatica componente nelle regioni galattiche più interne. Sappiamo che il diametro della Galassia si estende per circa 100 mila anni luce e che il Sistema solare si trova ad una distanza di circa 26 mila anni luce dal centro galattico. Ora, procedendo verso le regioni più centrali, diventa sempre più complicato misurare la velocità del gas e delle stelle con la dovuta precisione. Per far questo, come prima cosa gli astronomi hanno creato una lista completa delle misure relative al moto del gas e delle stelle della Via Lattea. Poi, è stata confrontata la velocità di rotazione osservata con quella teorica assumendo che esista solo materia ordinaria. L’analisi dei dati mostra chiaramente che la rotazione galattica misurata non può essere spiegata senza tener conto di una enorme quantità di materia oscura distribuita sostanzialmente tra il Sistema solare e il centro galattico. «Sappiamo che la materia oscura è necessaria per spiegare le velocità di rotazione osservate sia del gas che delle stelle», spiega Miguel Pato della Technische Universität München e Stockholm University, co-autore dello studio. «Ad ogni modo, non sappiamo ancora di che cosa sia fatta la materia oscura. Si tratta di una delle domande aperte più importanti dei nostri tempi». Dunque, il passo successivo sarà ora quello di realizzare le prossime osservazioni astronomiche applicando questo metodo mediante il quale sarà possibile, si spera, misurare la distribuzione della materia oscura nella Via Lattea con una precisione senza precedenti. «Ciò permetterà di affinare la nostra comprensione sulla struttura e l’evoluzione della Galassia. Non solo, ma potrà fornire delle previsioni con limiti più stringenti per gli esperimenti che si stanno svolgendo nei vari laboratori sparsi in tutto il mondo, allo scopo di rivelare le particelle di materia oscura», conclude Pato.
di Corrado Ruscica (INAF)

 

Il fascino dei tunnel spazio – temporali

Ricordate il famoso wormhole di cui tanto si è parlato per il film campione d’incassi Interstellar? Si tratta di un trucchetto della relatività generale,come ha scritto qualche tempo fa Giovanni Bignami, presidente dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), commentando proprio il film a cui ha collaborato il fisico teorico Kip Thorne.

Alcuni ricercatori, tra cui anche un esperto della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste, Paolo Salucci, hanno portato alla comunità scientifica la loro proposta: la Via Lattea potrebbe essere un wormhole, quindi un cunicolo spazio-temporale per poter viaggiare nello spazio. E se ciò fosse vero allora la nostra galassia sarebbe, come dicono i due studiosi, “stabile e navigabile”. L’ipotesi è stata avanzata in uno studio pubblicato su Annals of Physics e condotto proprio con la partecipazione della SISSA. Salucci ha detto: «Se uniamo la mappa realizzata sulla materia oscura nella Via Lattea con il più recente modello del Big Bang per spiegare la i primi momenti dell’Universo e si ipotizza l’esistenza dei tunnel spazio-temporali (ndr, appunto i wormhole) ciò che otteniamo è che la nostra galassia potrebbe davvero contenere uno di questi tunnel e che potrebbe anche essere grande come la galassia stessa». Secondo l’astrofisico «potremmo anche viaggiare attraverso questo tunnel dal momento che, in base ai nostri calcoli, potrebbe essere navigabile». Insomma, proprio come quello che nel film apparirebbe vicino al pianeta Giove. L’esistenza di questi cunicoli, che vengono chiamati anche Ponti di Einstein-Rosen, non è ancora stata provata e finora si tratta solo di teorie  – che ben si prestano a finire in qualche film sui viaggi spaziali come l’ultimo di Christopher Nolan. Anche se solo di recente hanno riguadagnato la luce dei riflettori, gli astrofisici e i fisici teorici hanno studiato questi tunnel per anni, si può dire sin dal 1916 quando lo scienziato Ludwig Flamm li teorizzò per la prima volta. Salucci ha spiegato ironicamente: «Quello che abbiamo cercato di fare nel nostro studio è stato risolvere l’equazione a cui l’astrofisica ‘Murph’ (ndr – personaggio nel film e figlia del protagonista) stava lavorando. Chiaramente lo abbiamo fatto molto prima che il film uscisse». Di certo si tratta di un’affermazione che può far discutere e creare “fazioni” tra gli scienziati. Salucci infatti ha spiegato: «Ovviamente non pretendiamo che la nostra galassia sia sicuramente un wormhole, ma diciamo semplicemente che, secondo i modelli teorici, questa ipotesi esiste». E ha sottolineato che «in linea di principio, potremmo effettuare dei test con due galassie – la nostra galassia e un’altra molto vicina come, per esempio, la Nube di Magellano – ma siamo ancora molto lontani da qualsiasi possibilità effettiva». Per adesso gli astrofisici si sono limitati a combinare le equazioni sulla relatività generale con una mappa molto dettagliata della distribuzione della materia oscura nella Via Lattea: «la mappa l’abbiamo ottenuta con uno studio condotto nel 2013», ha aggiunto Salucci dicendo anche che «la nostra ricerca è interessante perché propone una riflessione più complessa sulla materia oscura», mistero che a lungo gli esperti hanno cercato (e cercano ancora oggi) di svelare. «La materia oscura – ha concluso Salucci – potrebbe essere un’altra dimensione, forse anche un importante sistema di trasporto galattico». Nella foto: simulazione di un wormhole. Crediti: Davide e Paolo Salucci, della SISSA di Trieste.
di Eleonora Ferroni )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)

Planck riscrive l’età oscura della cosmologia: nuovi dati in anteprima mondiale

Quando si sono accese le prime stelle? La materia oscura è andata incontro a un processo di annichilazione, processo che potrebbe aver lasciato tracce nella CMB? Sono, questi, alcuni fra i tanti interrogativi irrisolti della cosmologia che le mappe in polarizzazione di Planck, il satellite dell’Agenzia Spaziale Europea per lo studio della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB, Cosmic Microwave Background), permettono da oggi d’iniziare ad aggredire in modo nuovo e promettente.

La mappa a tutto cielo della polarizzazione del canale a 70 GHz di Planck, da cui sono stati derivati i limiti sulla CMB a grande scala angolare per Planck 2014. Le linee indicano la direzione di polarizzazione, la scala di colori fa riferimento alla sua ampiezza (l’intensità aumenta procedendo dal chiaro allo scuro). Crediti: ESA and the Planck collaboration

Risultati molto attesi da tutta la comunità scientifica, quelli racchiusi nelle mappe di Planck, sui quali si stanno confrontando gli oltre duecento scienziati provenienti da tutto il mondo a convegno questa settimana – dall’1 al 5 dicembre – nel capoluogo estense. Risultati ancora preliminari e non pubblicati, ma che già lasciano intravedere una ricostruzione dell’età oscura dell’universo in grado di smussare alcuni fra gli attriti fino a ora irrisolti tra il punto di vista dell’astrofisica e quello della cosmologia. L’età oscura raccontata nelle nuove mappe di Planck è oscura in senso letterale: corrisponde al periodo buio che precede l’accensione delle prime stelle. Una lunga epoca che ha inizio circa 380 mila anni dopo il Big Bang, quando l’universo – con la formazione dei primi atomi d’idrogeno – divenne trasparente, permettendo così alla CMB d’attraversarlo e di giungere fino a noi, e che termina con la cosiddetta epoca di reionizzazione: ovvero la transizione all’epoca, in cui l’idrogeno non condensato in galassie è quasi completamente ionizzato. Transizione che si è soliti far coincidere, appunto, con l’epoca di formazione delle prime stelle, e sulla cui collocazione temporale le osservazioni astrofisiche – come quelle degli spettri dei quasar più lontani – non trovano corrispondenza nei risultati cosmologici ottenuti dal satellite WMAP della NASA. Quand’è stato, dunque, che la luce delle stelle ha iniziato a fendere il buio dell’età oscura? «Il problema non è quando sono nate le prime stelle», precisa Gianfranco De Zotti, professore a contratto alla SISSA (Trieste) e associato all’INAF-Osservatorio Astronomico di Padova, «ma qual è la sorgente d’energia responsabile della reionizzazione. Il risultato di WMAP implica che questa transizione dev’essere avvenuta in un’epoca remota, quando l’età dell’universo era meno di mezzo miliardo di anni. Secondo le attuali conoscenze, a quest’epoca le galassie non erano in grado di produrre la transizione. Per spiegarla, quindi, si doveva ricorrere ad altre sorgenti di energia, introdotte ad hoc. I nuovi risultati di Planck indicano invece che la transizione può essere avvenuta parecchie centinaia di milioni di anni più tardi, e che può essere spiegata dall’emissione delle galassie. Questo configura uno scenario in cui le informazioni che vengono dalla cosmologia si raccordano elegantemente con quelle che vengono dall’astrofisica, rimuovendo (anche se non escludendo) la necessità di sorgenti esotiche di energia». I nuovi dati di Planck hanno poi qualcosa da dire anche riguardo alla materia oscura, e in particolare alla possibilità che le particelle di materia oscura possano annichilarsi tra loro. «Si tratta di un processo di annichilazione predetto da molti modelli teorici», spiega Silvia Galli, ricercatrice postdocpresso l’Institut d’Astrophysique di Parigi, «e del quale si potrebbero trovare i segni nella CMB. Ebbene, i dati in polarizzazione di Planck permettono di porre vincoli circa quattro volte più stringenti, rispetto ai precedenti esperimenti cosmologici, sulla possibilità che questo fenomeno avvenga, permettendoci di gettare nuova luce sulla natura di questa misteriosa componente dell’universo». «È un fatto rimarchevole che la polarizzazione di Planck sia, in generale, ben compatibile con i risultati forniti dall’intensità della radiazione di fondo», nota Paolo Natoli, professore dell’Università di Ferrara e senior scientist di ASI Science Data Center, «risultati che sono oggi ancora più accurati rispetto a quelli della prima mappa, presentata del 2013. Per esempio, il numero delle famiglie di neutrini “viste” da Planck è oggi ben compatibile con il valore del modello standard della fisica delle particelle, che è pari a tre. Inoltre, Planck pone dei limiti notevoli sulla massa dei neutrini: già nel 2013 questi limiti erano già un fattore due migliori di quanto si possa fare con gli esperimenti terrestri, con Planck 2014 siamo arrivati ad un fattore tre.» I nuovi risultati di Planck derivano principalmente dalle mappe della polarizzazione: una proprietà (come la lunghezza d’onda, o l’ampiezza) della radiazione elettromagnetica molto difficile da misurare nella CMB, ma cruciale per ricostruirne la storia, l’ambiente dal quale ha avuto origine e quello che si è trovata ad attraversare nel corso del suo lungo viaggio fino a noi, durato circa 13.8 miliardi di anni. Lo stato di polarizzazione della CMB cambia se essa incontra elettroni liberi lungo il suo percorso, quindi la sua misura fornisce informazioni sulla condizione, neutra o ionizzata, della materia che attraversa. «Grazie al debole segnale contenuto nelle mappe in polarizzazione di Planck, stiamo finalmente iniziando a ricomporre l’intero puzzle della storia dell’universo, dalle fluttuazioni primordiali alla fine dell’età oscura. Questo senza più essere costretti a ricorrere a “tasselli esotici”, estranei al modello standard della cosmologia», sottolinea Reno Mandolesi, professore a contratto all’Università di Ferrara e associato INAF presso lo IASF di Bologna, nonché responsabile di uno dei due strumenti a bordo del satellite, il Low Frequency Instrument (LFI), finanziato dall’ASI e realizzato in gran parte in Italia. «I risultati presentati questa settimana a Ferrara verranno pubblicati entro la fine dell’anno, dunque fra poche settimane. All’esito di un lavoro lungo ed estremamente complesso, questo convegno è un’occasione preziosa di confronto con il resto della comunità scientifica mondiale. Per noi della collaborazione Planck, Ferrara rappresenta la continuazione di una straordinaria avventura, durata più venti anni. Un’avventura che ha messo – e ancora metterà, visto che abbiamo in programma un ulteriore appuntamento nel 2015 – a disposizione del mondo intero una quantità straordinaria di dati e informazioni».
Redazione Media Inaf

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