Se vogliamo capire come si evolve l'Universo, dobbiamo capire come si formano ed evolvono le sue grandi strutture. Ecco perché gli astronomi studiano la formazione delle galassie. Le galassie sono enormi strutture di stelle, pianeti, gas, polvere e materia oscura e capire come si formano è fondamentale per comprendere l'Universo stesso.
Nel 2017, gli astronomi che lavorano con ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array) hanno scoperto un'antica galassia. Questa enorme galassia a disco rotante è nata quando l'Universo aveva solo circa 1,5 miliardi di anni. Secondo la comprensione più accettata di come si formano ed evolvono le galassie, non dovrebbe esistere.
Ma è così.
La galassia è conosciuta come DLA0817g, ma è molto più facile da ricordare il soprannome è la galassia di Wolfe, dal nome del defunto astronomo Arthur M. Wolfe . È la più antica galassia a disco rotante che gli astronomi abbiano mai visto. Solo 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang, la galassia di Wolfe è cresciuta fino a raggiungere 70 miliardi di masse solari, circa la metà della Via Lattea.
Ci sono state alcune prove teoriche che questo tipo di galassia potrebbe essere esistita così presto nell'Universo, ma questa è la prima prova osservativa diretta.
Un nuovo studio intitolato “ Una fredda, massiccia galassia a disco rotante 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang ” presenta queste osservazioni. L'autore principale dello studio è Marcel Neeleman del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, in Germania. Il documento è pubblicato sulla rivista Nature.
L'Universo ha circa 13,8 miliardi di anni. All'inizio era solo un plasma caldo e informe di elettroni e protoni, uniforme in ogni direzione. La sfida per i cosmologi è spiegare come tutta quella massa informe si sia combinata in galassie.
L'Universo primordiale era un plasma indifferenziato, troppo caldo perché la materia normale si fondesse e formasse strutture come le galassie. Credito: Planck/IPAC
Per la maggior parte, gli astronomi pensavano che massicce galassie come la nostra Via Lattea si fossero formate per un lungo periodo di tempo, mentre le cose si raffreddavano. Questa spiegazione è talvolta chiamata scenario della 'modalità calda'. Lo scenario della modalità calda spiega la maggior parte delle galassie disordinate e caotiche che gli astronomi trovano nell'Universo primordiale, formate attraverso fusioni.
L'altra teoria è lo scenario di 'accrescimento in modalità fredda'. Questa teoria dice che il gas freddo viene condotto in una galassia di nuova formazione su scale temporali più brevi, prima che l'Universo si raffreddi. Grandi simulazioni come Illustre TNG 50 mostrano che le galassie a disco rotante come la galassia di Wolfe sono apparse nell'Universo prima di quanto pensassimo. TNG 50 ha mostrato che questo tipo di galassie può emergere da nubi di gas caotiche e turbolente in epoche precedenti.
Sebbene sia sempre stata considerata una possibilità, non ci sono state prove di ciò. Fino ad ora.
'Mentre studi precedenti suggerivano l'esistenza di questi primi dischi rotanti ricchi di gas galassie , grazie ad ALMA ora abbiamo prove inequivocabili che si verificano già 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang', ha affermato l'autore principale Marcel Neeleman in un comunicato stampa .
Per capire cosa significa questa scoperta, diamo un'occhiata alla materia oscura e al ruolo che gioca.
La materia oscura è la spina dorsale della struttura dell'Universo. È come una rete e prende la forma di filamenti e nodi che hanno più materia oscura e vuoti, che ne hanno di meno. È invisibile per noi e costituisce circa l'85% della massa dell'Universo. L'altro 15% comprende materia normale, come galassie, stelle, pianeti e noi stessi.
Una simulazione al computer della distribuzione della materia nell'universo. Le regioni arancioni ospitano le galassie; le strutture blu sono gas e materia oscura. Credito: Collaborazione TNG
Su scala più piccola, la materia oscura forma strutture simili a grumi chiamate aloni. La materia regolare è attratta dalla materia oscura dalla gravitazione e prende forma attorno a quegli aloni e forma galassie. Ma le galassie sono fatte di stelle e, affinché ciò accada, l'Universo doveva essersi raffreddato abbastanza da permettere la formazione delle stelle. E per freddo intendiamo solo 10 gradi sopra lo zero assoluto.
Il fatto è che la maggior parte delle prime galassie che possiamo vedere non sono dischi rotanti. Sono disordinati e disorganizzati, perché sono cresciuti attraverso fusioni con altre galassie. 'La maggior parte delle galassie che troviamo all'inizio dell'universo sembrano relitti di treni perché hanno subito una fusione coerente e spesso 'violenta'', afferma Neeleman. 'Queste fusioni a caldo rendono difficile la formazione di dischi rotanti freddi e ben ordinati come osserviamo nel nostro universo attuale'.
Una simulazione di galassie durante l'era della reionizzazione nell'Universo primordiale. Credito: M. Alvarez, R. Kaehler e T. Abel Credito: M. Alvarez, R. Kaehler e T. Abel
Questo perché quelle fusioni creano tutti i tipi di onde d'urto, che comprimono e riscaldano il gas, contribuendo al suo disordine. E dovrebbero volerci miliardi di anni prima che tutto quel gas disordinato possa raffreddarsi e assumere una forma ordinata e rotante.
Ma poi c'è la galassia di Wolfe. È una maestosa, fredda galassia a disco rotante.
Ecco cosa pensano sia successo Neeleman e altri ricercatori.
Al di fuori della galassia primitiva, c'era del gas che si era già raffreddato; non era stato soggetto alla compressione, alle onde d'urto e al riscaldamento a cui era stato sottoposto il gas all'interno della galassia. Quel gas freddo scorreva lungo i filamenti di materia oscura, nella galassia in formazione. Questo scenario significa che le galassie a disco rotante possono formarsi molto prima dello scenario di 'collisione e raffreddamento'.
L'unico modo per dimostrare che lo scenario del gas freddo era reale e poteva creare galassie a dischi rotanti freddi, come mostrato in simulazioni come TNG 50, era trovarne uno. E per questo, devi sapere dove cercare e quando.
Neeleman e gli altri ricercatori hanno usato ALMA e hanno trovato sei galassie candidate. La luce di quelle galassie ha dovuto viaggiare per circa 10 miliardi di anni per raggiungerci. DLA0817g, o la galassia di Wolfe, era la più brillante. Mostrava anche alcuni spostamenti Doppler che mostravano che era un disco rotante, grande e stabile.
Il disco Wolfe visto con ALMA (a destra - in rosso), VLA (a sinistra - in verde) e il telescopio spaziale Hubble (entrambe le immagini - in blu). Alla luce radio, ALMA ha osservato i movimenti della galassia e la massa di gas atomico e polvere e il VLA ha misurato la quantità di massa molecolare. Alla luce UV, Hubble ha osservato stelle massicce. L'immagine VLA è realizzata con una risoluzione spaziale inferiore rispetto all'immagine ALMA e quindi appare più grande e più pixelata. Credito immagine: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; NASA/ESA Hubble
Le loro osservazioni hanno mostrato che aveva una massa di circa 70 miliardi di Soli e aveva circa 1,5 miliardi di anni. Avevano trovato la loro galassia di gas freddo.
'Pensiamo che il Wolfe Disk sia cresciuto principalmente attraverso il costante accrescimento di gas freddo', ha detto il co-autore Xavier Prochaska, 'Tuttavia, una delle domande che rimane è come assemblare una massa di gas così grande mantenendo un relativamente stabile, rotante disco.'
C'è un motivo se l'hanno chiamata la galassia di Wolfe. L'astronomo Arthur Wolfe è stato il consulente di dottorato di tre degli autori. E il lavoro di Wolfe ha aiutato direttamente la squadra a trovare la galassia.
Wolfe ha trascorso molto tempo a ricercare la luce da lontano quasar . Il team dietro questo documento è stato in grado di trovare la galassia di Wolfe esaminando la luce di un quasar mentre attraversava la materia interposta. I quasar sono straordinariamente luminosi, emettono un'enorme quantità di luce. In questo caso, la luce che passa attraverso la galassia di Wolfe è ciò che ha permesso al team di identificare e caratterizzare la galassia come una galassia a disco rotante fredda.
Probabilmente ce ne sono molte di più di queste galassie Wolfe, ma sono difficili da trovare. Devono essere posizionati tra noi e un quasar per essere identificati. E quel fortunato allineamento è destinato a essere più raro delle stesse galassie Wolfe.
L'unico punto debole in questo studio è la dimensione del campione di uno. Sebbene i risultati siano promettenti e molto interessanti, gli astronomi dovranno trovare più di queste prime, fredde galassie a disco rotante. Non puoi riscrivere modelli astronomici sulla base di un punto dati. La galassia di Wolfe è rappresentativa di un tipo? O è solo una sorta di outlier?
Gli studi futuri dovranno rispondere a queste domande.
Di più:
- Comunicato stampa: Crescono così velocemente: nuove osservazioni mostrano che enormi galassie a disco si sono formate eccezionalmente all'inizio della storia cosmica
- Documento di ricerca: Una fredda, massiccia galassia a disco rotante 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang
- Universo oggi: I primi risultati della simulazione IllustrisTNG dell'universo sono stati completati, mostrando come il nostro cosmo si è evoluto dal Big Bang
