Nuove scoperte sui filamenti galattici

Gli ammassi galattici sono le più grandi strutture conosciute dell'universo. Sono uniti tra loro da una rete cosmica di vasti filamenti e nodi, che sembra stranamente simili alla struttura neuronale di un cervello umano. Ma da cosa sono formati questi filamenti? Ecco le nuove scoperte su questo argomento davvero affascinante.


Fino a poco tempo fa si pensava che i filamenti galattici fossero fatti di una miscela di materia oscura e la sua normale controparte ordinaria. Ma questa teoria è frutto di simulazioni computerizzate basate sugli attuali modelli cosmici. In sostanza non c'erano osservazioni realistiche di questi filamenti e non avevamo dati reali sulla loro composizione.

Questo fino a quando un team di cosmologi, con il poco conosciuto telescopio spaziale XMM-Newton dell'ESA, non è riusciti a fare osservazioni sorprendenti.
Il team ha trovato del gas caldo che attraversa i filamenti galattici del lontano ammasso di galassie Abel 2744.
Cosa c'è di sorprendente? I cosmologi stavano cercando la materia oscura ma hanno trovato enormi serbatoi di materia ordinaria!.

Queste osservazioni e questa scoperta aiuteranno a snodare un groviglio ancora oggi molto ostico. E cioè che oggi abbiamo individuato soltanto la metà della materia ordinaria formatasi circa un miliardo di anni dopo il Big Bang.

Ma non è tutto, questa scoperta può anche spiegare come le galassie possono creare stelle in continuazione.
Le galassie infatti producono stelle, e per farlo hanno bisogno di enormi quantità di gas. Finora, tuttavia, i ricercatori hanno trovato solo "piccole" quantità di questo nuovo gas.
"Piccole", ovviamente in proporzioni astronomiche: meno di quello che sarebbe necessario.

Questo apparente deficit di gas significa che le galassie dovrebbero smettere di generare nuove stelle di prima generazione nei prossimi due miliardi di anni.
Dopo di ché potrebbero ancora nascere stelle più pesanti, di seconda generazione, riciclando il materiale generato dalla morte delle stelle di prima generazione. Ma questi sarebbero i primi passi verso lo spegnimento e la morte delle galassie. Tutto ciò tra poco più di due miliardi di anni.

In questo articolo trovi esempi di stelle di prima e di seconda generazione: Westerlund 1, Le stelle più massicce della galassia sono qui!

Ma dopo le scoperta di queste enormi quantità di gas intergalattico le cose potrebbero cambiare. I cosmologi ora stanno setacciando le nuove abbondanti riserve di gas presenti nei filamenti cosmici per capire se potrebbero agire come gigantesche riserve di gas puro a disposizione delle galassie.
I primi risultati purtroppo non sembrano incoraggianti.
Sfortunatamente la maggior parte di questo gas sembra essere troppo caldo. I cosmologi hanno valutato che la sua temperatura è sorprendentemente vicina alla decina di milioni di gradi!! Queste temperature lo caricherebbero di una energia tale che le galassie non riuscirebbero a catturarlo.
Tuttavia ci sono simulazioni al computer che evidenzino come i margini di questi filamenti potrebbero avvicinarsi alle galassie e raffreddarsi. Potrebbe essere questo il gas che darà vita a miliardi di nuove stelle allungando la vita delle galassie?

Per rispondere a questa domanda c'è bisogno di scansionare il più possibile il cielo con strumenti ad altissima sensibilità.
Il gas in questione infatti ha una densità molto bassa ed è una grande sfida osservarlo direttamente.
Per farlo si sta usando la tecnica dell'interferometria radio, in cui i segnali di molte antenne radio sono combinati assieme e trattati come se fossero captati da un unico grande telescopio.
In questo modo i cosmologi stanno cercando di rilevare un segnale che è diecimila volte più debole del gas che normalmente osservano all'interno della via lattea attraverso i radiotelescopi.

E la materia oscura? Sono forse queste enormi quantità di gas intergalattico a costituire la massa mancante associata alla materia oscura?
Quello che è certo, è che la scoperta di queste grandi quantità di gas nei filamenti galattici complica un po le teorie sulla materia oscura e le stime sulla sua quantità. I cosmologi stanno ancora lavorando per capire quanta materia osservabile manca per quadrare i conti gravitazionali.
Sono ancora convinti che la materia oscura debba esistere per impedire che la materia ordinaria nell'universo vada in pezzi, e si pensa che formi lo scheletro dei filamenti galattici.
Non assorbe né emette luce, quindi non può essere vista, ma esercita un'attrazione gravitazionale, e quindi, come la materia normale, si piega alla luce.

Questa lente gravitazionale distorce le immagini delle galassie lontane raccolte dai telescopi ottici, e gli astronomi possono misurare queste distorsioni per capire quanta materia ha passato la luce nel suo viaggio verso il telescopio.

Se i raggi X possono rivelare quanta materia normale ci sia, per esempio in un ammasso di galassie, e un'immagine ottica dello stesso ammasso può rivelare dalle sue distorsioni quanta materia è presente nel complesso, quindi sottrarre l'una dall'altra può dare una stima di quanta materia oscura possa esistere in quell'ammasso.
Questa stima, accompagnata alle misurazioni dette sopra del gas intergalattico fatte con i radiotelescopi, ci daranno un'idea ancora più chiara di quanta massa associare alla materia oscura.

Quanto pesa la via lattea?

Miliardi di stelle, migliaia di pianeti e decine di anni luce cubici di polveri stellari e nebulose di gas. Tutta questa materia ha sicuramente un peso, quanto? Ecco i risultati delle nuove valutazioni fatte dai cosmologi che non rispondono solo a quello che potrebbe sembrare un banale quesito nato dalla semplice curiosità, ma svela nuovi segreti sulla nostra galassia.

Abbiamo parlato qui della sua struttura: Morfologia della via lattea.
Poi vi abbiamo parlato delle sue dimensioni: La via lattea in numeri.
E qui vi abbiamo dato una visione di ciò che vediamo della nostra galassia dalla terra: Cosa vediamo della via lattea.

Oggi invece vi parliamo del sui peso!
Prima di tutto è doveroso precisare che più che di peso, si parla di massa. La risposta a questa domanda non mette a tacere solo i più curiosi, ma aiuta i cosmologi a posizionare la nostra galassia in un contesto cosmico molto complesso.
L'attività di una galassia, cioè il tasso di formazione stellare: la velocità con cui le stelle si formano, esistono e muoiono, sembra essere strettamente legata alla massa complessiva della galassia.
I fisici che studiano l'evoluzione delle galassie, osservano come la massa si rapporta alla loro evoluzione. Se i fisici riescono ad individuare con precisione la massa della Via Lattea, possono capire come si formano e si evolvono anche le altre galassie dell'universo.
Fino ad oggi le stime sulla massa della Via Lattea variavano selvaggiamente. Alcuni studi stimano questa massa pari ad un trilione di soli, altri dichiarano che sia pari a 100 miliardi. Chi si avvicina di più alla verità?

Queste misure includono tutti i tipi di materia che possiamo osservare o rilevare direttamente: polvere, pianeti, lune, stelle e alcune delle galassie nane che orbitano attorno alla Via Lattea.
Ma sicuramente il fattore predominante per poter stimare in maniera ragionevole la massa della Via Lattea è capire l'entità della materia oscura che avvolge la Via Lattea come una nuvola invisibile.

Invisibile tranne che per i suoi effetti gravitazionali su altri oggetti.
Come sappiamo infatti la materia oscura è eccezionalmente difficile da misurare. Oggi però i cosmologi dell'università McMaster in Canada, hanno messo a punto un modello che punta a misurare la materia oscura osservando gli effetti gravitazionali sugli ammassi globulari presenti nell'alone della Via Lattea.
Per un approfondimento sugli gli ammassi globulari e sulla loro localizzazione all'interno della via lattea vi invitiamo a leggere questo approfondimento:

Ammassi Globulari, questi incompresi

Dicevamo quindi che questo nuovo modello ha studiato i movimenti e le velocità di ben 89 ammassi globulari presenti nell'alone della Via Lattea per stimare la massa della materia oscura che ci circonda.
Sono stati usati gli ammassi globulari perché sono dispersi a diverse distanze in tutta la galassia, e perché sono relativamente grandi, ben definiti e più facili da tracciare nel tempo rispetto alle singole stelle.
Mentre questi ammassi stellari orbitano attorno al centro galattico, la materia oscura influenza le loro orbite in modi prevedibili.

Benissimo, unendo le stime sulla materia oscura alle stime basate su oggetti cosmici visibili come stelle e nebulose, il modello ha creato un "profilo di massa" della Via Lattea che stima la massa contenuta fino ad una certa distanza dal centro galattico.
Capire quanto velocemente e in quale direzione si muovono gli ammassi globulari è piuttosto difficile. Combinare tutti questi dati insieme in un modello coerente per la Via Lattea è stata una vera sfida.

700 miliardi di soli, questa è la massa della Via Lattea fornita da questo nuovo modello.
La massa strettamente stellare della Via Lattea è stimata in circa 60 miliardi di soli, la polvere e il gas delle nebulose costituiscono circa il 3% della massa restante, mentre l'88% della massa della Via Lattea è costituita da materia oscura.

A volte le persone rimangono sorprese dal fatto che i cosmologi non abbiamo un'idea precisa di quanto sia pesante la Via Lattea, dato che è la galassia in cui viviamo, ma questo modello è un grande passo avanti per poter affermare con sicurezza che sappiamo quanto sia massiccia la nostra casa.

Le prossime volte che guarderete la Via Lattea, quella bellissima striscia chiara nel cielo notturno rendetevi conto che quel flusso di stelle e polvere che attraversa il cielo scuro è solo circa un quinto di ciò che c'è là fuori. Questa è la grande spinta che ispira cosmologi ed astrofisici a studiare la materia oscura.

Massa totale	700 miliardi di masse solari
Massa stellare	60 miliardi di masse solari
Nebulose, polvere e gas	19 miliardi di masse solari
Materia Oscura:	621 miliardi di masse solari

Buchi neri al posto della materia oscura

La materia oscura potrebbe essere costituita da buchi neri primordiali numerosi quanto le stelle? Con ricerche lunghe decenni che non riescono a trovare le ipotetiche particelle di materia oscura che i teorici hanno favorito, i fisici si stanno rivolgendo a metodi più radicali per spiegare la massa mancante dell'universo. Questa è un'idea che ha iniziato a mettere le sue radici quando la scoperta delle onde gravitazionali ha suggerito che il cosmo abbonda di buchi neri inaspettatamente pesanti. 

La materia oscura è una forma di "materia" che compone circa il 90% dell'universo ma che i ricercatori e i cosmologi non sono ancora riusciti ad individuare e osservare in maniera diretta.
La maggior parte degli sforzi compiuti fino ad oggi dalla ricerca sono stati volti a tentativi di scoperta di particelle subatomiche che potessero rappresentarla. Nonostante queste ricerche abbiano portato alla luce diverse nuove particelle elementari, nessuna di esse è ancora arrivata a definire la materia oscura.
Nell'ultimo anno, sopratutto dopo le ultime sorprendenti rilevazioni delle onde gravitazionali, sta prendendo piede anche un'altra teoria radicalmente diversa da quelle in voga.

Questa teoria prevede che la materia oscura sia costituita da buchi neri formati durante il primo secondo dell'esistenza del nostro universo, noti come buchi neri primordiali.
La teoria della materia oscura costituita da buchi neri primordiali è molto semplice e si basa su concetti molto lineari e oggi abbastanza conosciuti, tralasciando idee esotiche e particelle mai osservate. Sarebbe insomma in linea con la purezza e la semplicità dell'universo.
Alexander Kashlinsky, il cosmologo del Goddard Space Flight Center della NASA a capo del team che sta lavorando a questo concetto, suggerisce che questa interpretazione sia in linea con la nostra conoscenza dei raggi cosmici nell'infrarosso e dei raggi X, e che possa spiegare le masse inaspettatamente alte nelle collisioni tra buchi neri rilevate negli ultimi periodi.

In questo approfondimento, per esempio, abbiamo scritto cosa accade quando un buco nero primordiale si scontra con una stella di neutroni

I cosmologi prevedono che se la teoria fosse corretta, allora tutte le galassie (inclusa la nostra) sarebbero incorporate in una vasta sfera di buchi neri primordiali con masse ciascuno di circa 30 volte la massa del sole.

Nel 2005 gli astronomi usarono il telescopio spaziale Spitzer della NASA per esplorare il bagliore di fondo della luce infrarossa in una zona dell'Orsa Maggiore. I ricercatori hanno notato un'eccessiva alterazione nella luce, e hanno concluso che probabilmente è stata causata dalla luce aggregata delle prime stelle presenti nell'universo più di 13 miliardi di anni fa.
Studi successivi hanno confermato che questa struttura inattesa nello "sottofondo a raggi infrarossi" (CIB) è presente anche in altre parti del cielo.
Nel 2013 grazie al moderno NASA chandra x-ray observatory, questi pattern sono stati inaspettatamente confermati anche nel sottofondo cosmico a raggi X. 

Tutto ciò però è molto strano. Oggi sappiamo infatti che le prime stelle nate nell'universo hanno emesso luce principalmente nello spettro ottico e ultravioletto.
Ai nostri giorni questa luce risulta allungata nell'infrarosso a causa dell'espansione dello spazio. Questo significa che questa luce non dovrebbe contribuire in modo così evidente al bagliore di fondo nello spettro a raggi x.
L'unico oggetto che conosciamo che può essere sufficientemente luminoso in questo ampio intervallo di energia è un buco nero. Ecco perché Il gruppo di ricerca di Alexander Kashlinsky ha concluso che i buchi neri primordiali devono essere stati abbondanti tra le prime stelle, costituendo almeno una su cinque delle fonti che contribuiscono al "chiarore di fondo". 


L'immagine della NASA che vedete qui sopra è una di quelle che ha dato vita a questa nuova teoria.
La porzione a sinistra è stata ripresa del telescopio spaziale Spitzer della NASA e mostra una vista a infrarossi di un'area del cielo nella costellazione dell'Orsa Maggiore. La porzione a destra invece, dopo aver mascherato tutte le stelle conosciute e le galassie, mostra il bagliore di fondo infrarosso. Come si può notare questo bagliore è irregolare. I colori più chiari indicano aree più luminose.
Questo sottofondo è più irregolare di quello che può essere spiegato dalla presenza di galassie distanti e poco visibili, e si pensa che proprio  questa struttura in eccesso sia stata  emessa quando l'universo aveva meno di un miliardo di anni dalle prime stelle e da numerosi buchi neri primordiali.

La natura della materia oscura rimane una delle questioni irrisolte più importanti in astrofisica. Gli scienziati fino ad oggi hanno favorito modelli teorici che spiegano la materia oscura come una particella esotica, ma finora le ricerche non sono riuscite a dimostrare che queste particelle ipotetiche esistano realmente.
La NASA sta attualmente esaminando questo problema utilizzando le sue missioni "Alpha Magnetic Spectrometer" e "Fermi Gamma-ray Space Telescope".

Le osservazioni in questa direzione stanno fornendo risultati sempre più importanti e sensibili, riducendo lentamente i limiti e le possibilità in cui le particelle di materia oscura possono nascondersi.
L'incapacità di trovare queste particelle ha portato a un rinnovato interesse nello studio di come i buchi neri primordiali, formatisi nei primi istanti di vita dell'universo, potrebbero rappresentare la materia oscura.

I fisici hanno delineato diversi modi in cui l'universo caldo e in rapida espansione potrebbe produrre buchi neri primordiali nei primi istanti dopo il Big Bang.
Quanto più vecchio è l'universo quando si innescano i meccanismi che danno vita ad un buco nero, tanto più grandi possono essere i buchi neri. E poiché la finestra temporale in cui si pensa che siano nati dura solo una piccola frazione del primo secondo, gli scienziati si aspettano che i buchi neri primordiali mostrino una gamma ristretta di masse.

Il 14 settembre 2016, sono state rilevate dal Ligon (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di una coppia di buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Questo evento ha segnato il primo rilevamento in assoluto delle onde gravitazionali e di conseguenza il tanto atteso rilevamento diretto dei buchi neri. Il segnale ha fornito agli scienziati della LIGO informazioni sulle masse dei singoli buchi neri. Uno di essi aveva una massa pari a 29 volte la massa del Sole, l'altro 36 volte. Gli astrofisici hanno trovato entrambe questi valori inaspettatamente grandi e sorprendentemente simili.

Secondo Alexander Kashlinsky, i buchi neri primordiali potrebbero avere proprietà molto simili a quelle rilevate da LIGO.
Se ipotizziamo che sia così, LIGO ha colto una fusione di buchi neri formatosi nell'universo primordiale.
Nel suo nuovo articolo, pubblicato il 24 maggio sull'Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analizza cosa potrebbe essere successo se la materia oscura consistesse in una popolazione di buchi neri simile a quelli rilevati da LIGO.
Secondo questo studio i buchi neri avrebbero distorto la distribuzione della massa nell'universo primordiale, aggiungendo una piccola fluttuazione che avrebbe avuto conseguenze centinaia di milioni di anni dopo: quando iniziarono a formarsi le prime stelle.

Per gran parte dei primi 500 milioni di anni dell'universo, la materia normale è rimasta troppo calda per fondersi con le prime stelle. La materia oscura non è stata influenzata dall'alta temperatura perché, indipendentemente dalla sua natura, interagisce principalmente attraverso la gravità.
Aggregandosi per attrazione reciproca, la materia oscura crollò in grumi chiamati "mini aloni". Queste zone fornirono un principio gravitazionale che avrebbe dato il via all'accumulo di materia normale.
Quindi il gas caldo collassò verso questi aloni di materia oscura, dando luogo a sacche di gas abbastanza densi da collassare ulteriormente nelle prime stelle.
La teoria mostra che se i buchi neri primordiali rappresentato la materia oscura, questo processo si verifica più rapidamente e produce facilmente la grumosità del sottofondo a raggi cosmici rilevata nei dati Spitzer.

Quando il gas cosmico cadde nei "mini aloni", la materia si sarebbe riscalda e alla fine avrebbe prodotto raggi X. Insieme, la luce infrarossa proveniente dalle prime stelle e i raggi X provenienti dalla materia caduta nei buchi neri di materia oscura, possono rappresentare quanto osservato tra il sottofondo a raggi cosmici e quello a raggi X.

Occasionalmente, alcuni buchi neri primordiali passano abbastanza vicini tra loro per rimanere gravitazionalmente intrappolati in sistemi binari. I buchi neri di questi sistemi binari, emetteranno radiazioni gravitazionali, perdono energia orbitale e finiscono per collassare uno sull'altro fondendosi in un buco nero più grande: come l'evento osservato da LIGO nel 2016.

Le prossime osservazioni del LIGO ci diranno molto di più sulla popolazione di buchi neri dell'universo, e ci diranno anche sia plausibile uno scenario in cui le galassie sarebbe popolate e circondate da uno sciame di buchi neri primordiali e non di strane particelle esotiche.

La missione Euclide, dell'Agenzia spaziale europea, che è attualmente in programma per il 2020, e il progetto LIBRAE, consentiranno agli astrofisici di sondare con alta precisione le popolazioni di sorgenti nella radiazione di fondo e determinare quali porzione è stata prodotta da buchi neri.