Nell’ultimo anno e mezzo, il telescopio spaziale James Webb ha fornito immagini sorprendenti di galassie lontane formatesi non molto tempo dopo il Big Bang, offrendo agli scienziati i primi scorci dell’universo neonato. Ora, un gruppo di astrofisici ha alzato la posta: trova le galassie più piccole e luminose vicino all’inizio del tempo stesso, altrimenti gli scienziati dovranno ripensare totalmente le loro teorie sulla materia oscura.
Un composto del quintetto di Stephan, un raggruppamento visivo di cinque galassie, costruito da quasi 1.000 file di immagini separati dal telescopio spaziale James Webb. Gli astrofisici dell’UCLA ritengono che se le teorie sulla materia oscura fredda fossero corrette, il telescopio Webb dovrebbe trovare minuscole e luminose galassie dell’universo primordiale. Credito immagine: NASA
Il team, guidato da astrofisici dell’UCLA, ha eseguito simulazioni che tracciano la formazione di piccole galassie dopo il Big Bang e hanno incluso, per la prima volta, interazioni precedentemente trascurate tra gas e materia oscura. Hanno scoperto che le galassie create sono molto piccole, molto più luminose e si formano più rapidamente rispetto alle tipiche simulazioni che non tengono conto di queste interazioni, rivelando invece galassie molto più deboli.
Le piccole galassie, chiamate anche galassie nane, sono presenti in tutto l’universo e spesso si pensa che rappresentino le galassie nane primo tipo di galassia. Le piccole galassie sono quindi particolarmente interessanti per gli scienziati che studiano le origini dell’universo. Ma le piccole galassie che trovano non sempre corrispondono a ciò che pensano di dover trovare. Quelli più vicini alla Via Lattea ruotano più velocemente o non sono così densi come nelle simulazioni, indicando che i modelli potrebbero aver omesso qualcosa, come queste interazioni gas-materia oscura.
La nuova ricerca, pubblicata in Le lettere del diario astrofisico, migliora le simulazioni aggiungendo le interazioni della materia oscura con il gas e scopre che queste deboli galassie potrebbero essere state molto più luminose del previsto all’inizio della storia dell’universo, quando stavano appena iniziando a formarsi. Gli autori suggeriscono che gli scienziati dovrebbero provare a trovare piccole galassie molto più luminose del previsto utilizzando telescopi come il telescopio Webb. Se ne trovassero solo deboli, allora alcune delle loro idee sulla materia oscura potrebbero essere sbagliate.
La materia oscura è un tipo di materia ipotetica che non interagisce con l’elettromagnetismo o la luce. Pertanto, è impossibile osservare utilizzando l’ottica, l’elettricità o il magnetismo. Ma la materia oscura interagisce con la gravità, e la sua presenza è stata dedotta dagli effetti gravitazionali che ha sulla materia ordinaria, la materia che costituisce tutto l’universo osservabile. Anche se si ritiene che l’84% della materia nell’universo sia costituita da materia oscura, non è mai stato così rilevato direttamente.
Tutte le galassie sono circondate da un vasto alone di materia oscura e gli scienziati ritengono che la materia oscura sia stata essenziale per la loro formazione. IL “modello cosmologico standardGli astrofisici usano per comprendere la formazione delle galassie descrive come grumi di materia oscura nell’universo primordiale attirassero la materia ordinaria attraverso la gravità, provocando la formazione di stelle e creando le galassie che vediamo oggi. Poiché si ritiene che la maggior parte delle particelle di materia oscura – chiamate materia oscura fredda – si muovano molto più lentamente della velocità della luce, questo processo di accumulazione sarebbe avvenuto gradualmente.
Ma più di 13 miliardi di anni fa, prima della formazione delle prime galassie, la materia ordinaria, costituita da idrogeno ed elio gassosi provenienti dal Big Bang, e la materia oscura si muovevano l’una rispetto all’altra. Il gas scorreva a velocità supersoniche oltre densi boschetti di materia oscura in movimento più lento che avrebbe dovuto attirarlo per formare galassie.
“In effetti, nei modelli che non tengono conto dello streaming, questo è esattamente ciò che accade”, ha affermato Claire Williams, dottoranda dell’UCLA e prima autrice dell’articolo. “Il gas è attratto dall’attrazione gravitazionale della materia oscura, forma grumi e nodi così densi che può verificarsi la fusione dell’idrogeno, e così forma stelle come il nostro Sole”.
Ma Williams e coautori sul Progetto supersonico team, un gruppo di astrofisici provenienti da Stati Uniti, Italia e Giappone guidati dal professore di fisica e astronomia dell’UCLA Smadar Naoz, hanno scoperto che se alle simulazioni aggiungevano l’effetto di flusso di diverse velocità tra la materia oscura e quella ordinaria, il gas atterrava lontano dalla materia oscura e gli veniva impedita la formazione immediata di stelle. Quando il gas accumulato ricadde nella galassia, milioni di anni dopo, si verificò all’improvviso un’enorme esplosione di formazione stellare. Poiché per un certo periodo queste galassie avevano molte più stelle giovani, calde e luminose delle normali piccole galassie, brillavano molto più luminose.
“Mentre lo streaming ha soppresso la formazione stellare nelle galassie più piccole, ha anche aumentato la formazione stellare nelle galassie nane, facendole oscurare le zone dell’universo in cui non è presente lo streaming”, ha detto Williams. “Prevediamo che il telescopio Webb sarà in grado di trovare regioni dell’universo in cui le galassie saranno più luminose, accentuate da questa velocità. Il fatto che siano così luminose potrebbe rendere più facile per il telescopio scoprire queste piccole galassie, che in genere sono estremamente difficili da individuare solo 375 milioni di anni dopo il Big Bang”.
Poiché la materia oscura è impossibile da studiare direttamente, la ricerca di macchie luminose di galassie nell’universo primordiale potrebbe offrire un test efficace per le teorie sulla materia oscura, che finora è stata infruttuosa.
“La scoperta di macchie di galassie piccole e luminose nell’universo primordiale confermerebbe che siamo sulla strada giusta con il modello della materia oscura fredda perché solo la velocità tra due tipi di materia può produrre il tipo di galassia che stiamo cercando, ” ha detto Naoz, professore di astrofisica di Howard e Astrid Preston. “Se la materia oscura non si comporta come la materia oscura fredda standard e l’effetto streaming non è presente, allora queste galassie nane luminose non verranno trovate e dovremo tornare al tavolo da disegno”.
La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dalla NASA.
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Fonte: UCLA
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