Luglio 20, 2024

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JWST vede l’inizio della rete cosmica

JWST vede l’inizio della rete cosmica

La rete cosmica è la struttura su larga scala dell’universo. Se potessi guardare il nostro universo svolgersi dal Big Bang ad oggi, vedresti questi filamenti (e i vuoti tra di loro) formarsi nel tempo. Ora, gli astronomi che utilizzano il JWST hanno trovato dieci galassie che formano una primissima versione di questa struttura appena 830 milioni di anni dopo l’inizio dell’universo.

La “rete cosmica” iniziò come fluttuazioni di densità nell’universo primordiale. Poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, la materia (sotto forma di gas primordiale) si condensò in nodi alle giunzioni di placche e filamenti di gas nel primo reticolo. Questi nodi e filamenti hanno ospitato le prime stelle e galassie. Naturalmente, mentre gli astronomi guardano indietro nel tempo, cercheranno le prime versioni della rete cosmica. La tecnologia JWST ha permesso loro di guardare indietro alle cose oscure e opache che esistevano poco dopo il Big Bang.

Le 10 galassie osservate dal team si allineano in un sottile filamento di tre milioni di anni luce di diametro tenuto insieme da un quasar luminoso. Il suo aspetto ha sorpreso la squadra per le sue dimensioni e il suo posto nella storia cosmica. “Questa è una delle più antiche strutture filamentose che le persone abbiano trovato associate a un quasar distante”, ha aggiunto Vig Wang dell’Università dell’Arizona a Tucson, il principale investigatore di questo programma.

Aspira a comprendere l’universo primordiale e la rete cosmica

Le osservazioni JWST fanno parte di un programma di monitoraggio chiamato ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halos in the Reionization Era. Utilizza immagini e spettri di 25 quasar che esistevano in passato quando l’universo iniziò a schiarirsi dopo i “secoli bui”. L’idea è studiare la formazione delle galassie più vicine possibili, così come la nascita dei primi buchi neri. Inoltre, il team spera di capire come l’universo primordiale si sia arricchito di elementi più pesanti (metalli) e come tutto sia avvenuto durante l’era della reionizzazione.

Questa è un'illustrazione di un artista che mostra la linea temporale dell'universo primordiale che mostra alcuni dei periodi di tempo più importanti.  A sinistra è il primo giorno dell'universo, poiché il caldo intenso ha impedito che accadesse molto.  La CMB viene quindi rilasciata una volta che l'universo si è raffreddato un po'.  Il prossimo, in giallo, è l'universo neutro, il tempo prima della formazione stellare.  Gli atomi di idrogeno nell'universo neutro dovrebbero emettere onde radio che possiamo rilevare qui sulla Terra.  Credito immagine: ESA - C. Carreau
Questa è un’illustrazione di un artista che mostra la linea temporale dell’universo primordiale che mostra alcuni dei periodi di tempo più importanti. A sinistra è il primo giorno dell’universo, poiché il caldo intenso ha impedito che accadesse molto. La CMB viene quindi rilasciata una volta che l’universo si è raffreddato un po’. Il prossimo, in giallo, è l’universo neutro, il tempo prima della formazione stellare. Gli atomi di idrogeno nell’universo neutro dovrebbero emettere onde radio che possiamo rilevare qui sulla Terra. Credito immagine: ESA – C. Carreau

Gli obiettivi ASPIRE sono una parte importante della comprensione dell’origine e dell’evoluzione dell’universo. “Gli ultimi due decenni di ricerca sulla cosmologia ci hanno fornito una solida comprensione di come si è formata ed evoluta la rete cosmica. ASPIRE mira a capire come l’emergere dei più antichi buchi neri massicci possa essere incorporato nella nostra attuale storia di formazione della struttura cosmologica”, ha spiegato membro del team Joseph Henawi dell’Università della California, Santa Barbara.

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Concentrati sui primi buchi neri

I quasar attirano attraverso il tempo e lo spazio. Sono alimentati da buchi neri supermassicci che, insieme a potenti getti, producono incredibili quantità di luce e altre emissioni. Gli astronomi li usano come candele standard per le misurazioni delle distanze, nonché come un modo per studiare le vaste regioni dello spazio attraverso le quali passa la luce.

Rappresentazione artistica di un quasar. Almeno uno è coinvolto nei primi fili della rete cosmica. Credito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Almeno otto dei quasar nello studio ASPIRE hanno buchi neri che si sono formati meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. La massa di questi buchi neri varia da 600 milioni a 2 miliardi di volte la massa del sole. Questo è davvero molto grande e solleva molte domande sulla loro rapida crescita. Affinché questi buchi neri supermassicci si formino in così poco tempo, devono essere soddisfatti due criteri. Per prima cosa, devi iniziare a crescere da un “seme” di un buco nero supermassiccio. In secondo luogo, anche se questo seme fosse partito con una massa equivalente a mille soli, avrebbe comunque dovuto accumulare un milione di volte più materia alla velocità massima possibile per tutta la sua vita”, ha spiegato Wang.

Affinché questi buchi neri crescessero come hanno fatto, avevano bisogno di molto carburante. Le loro galassie erano anche molto massicce, il che potrebbe spiegare i mostruosi buchi neri nei loro nuclei. Non solo quei buchi neri hanno risucchiato molto materiale, ma i loro deflussi hanno influenzato anche la formazione stellare. I forti venti dei buchi neri possono impedire la formazione stellare nella galassia ospite. Tali venti sono stati osservati nell’universo vicino ma non osservati direttamente nell’era della reionizzazione “, ha detto Yang. “La dimensione del vento è correlata alla struttura del quasar. Nelle osservazioni di Webb, vediamo che tali venti esistevano nell’universo primordiale”.

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Perché l’età?

Spesso sentiamo parlare di astronomi che vogliono tornare all’era della reionizzazione. Perché un obiettivo così sconcertante? Offre uno sguardo all’epoca in cui si formarono le prime stelle e galassie. Dopo il Big Bang, l’universo neonato era in uno stato caldo e denso. A volte lo sentiamo indicato come il brodo dell’universo primordiale. Successivamente, l’espansione ha preso il sopravvento e le cose hanno iniziato a raffreddarsi. Ciò ha permesso a elettroni e protoni di combinarsi per formare i primi atomi di gas neutro. Ha anche permesso la diffusione dell’energia termica dal Big Bang. Gli astronomi rilevano questa radiazione. È spostato verso il rosso nella porzione a microonde dello spettro elettromagnetico. Gli astronomi la chiamano radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB).

Le prime stelle
Una visualizzazione di come appariva l’universo quando stava attraversando la sua ultima grande epoca di trasformazione: l’epoca della reionizzazione. Crediti: Paul Gill e Simon Mach/Università di Melbourne

Questo lato dell’universo primordiale presentava lievi fluttuazioni di densità nella sua materia in espansione. Quella sostanza era idrogeno neutro. Non c’erano ancora stelle o galassie. Ma, alla fine, queste regioni ad alta densità hanno cominciato ad aggregarsi sotto l’influenza della gravità, facendo sì che anche la materia neutra iniziasse ad aggregarsi. Ciò ha portato a un ulteriore collasso delle regioni ad alta densità, che alla fine ha portato alla nascita delle prime stelle. Hanno riscaldato il materiale circostante, che ha praticato dei buchi nelle zone neutre, consentendo il passaggio della luce. In sostanza, quei buchi (o bolle) nel gas neutro hanno permesso alle radiazioni ionizzanti di viaggiare più lontano nello spazio. Era l’inizio dell’era della reionizzazione. Un miliardo di anni dopo il Big Bang, l’universo era completamente ionizzato.

Quindi, come spieghi i primi buchi neri supermassicci?

È interessante notare che quelle prime galassie trovate da JWST, insieme ai loro quasar, erano già tutte a posto, con buchi neri supermassicci al centro. La domanda principale rimane: come sono diventati così grandi così in fretta? La loro presenza può dire agli astronomi qualcosa sulle “densità extra” nell’universo neonato. Innanzitutto, il “seme” di un buco nero ha bisogno di una regione densa piena di galassie per formarsi.

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Tuttavia, finora, le osservazioni precedenti alla scoperta di JWST hanno rilevato solo pochi aumenti della densità di galassie attorno ai più antichi buchi neri supermassicci. Gli astronomi devono fare più osservazioni in questa era per spiegare perché. Il programma ASPIRE dovrebbe aiutare a risolvere le domande sul feedback tra la formazione della galassia e la creazione del buco nero in questa primissima era dell’universo. Lungo la strada, dovrebbero anche vedere più frammenti della struttura su larga scala della rete cosmica dell’universo mentre prende forma.

per maggiori informazioni

Il Web della NASA identifica i primi filamenti della rete cosmica
Bias Halos in the Reionization Era (ASPIRE) Indagine spettroscopica: JWST rivela una struttura filamentosa intorno az = 6.61 Quasar