Gli astrofisici dell’UCLA hanno condotto nuove simulazioni che hanno rivelato che le prime galassie potrebbero essere state più piccole e luminose di quanto si pensasse in precedenza, mettendo in discussione le attuali teorie sulla materia oscura. Incorporando le interazioni tra gas e materia oscura, la loro ricerca suggerisce che queste galassie nane luminose, se scoperte dal Telescopio Spaziale James Webb, potrebbero convalidare i modelli esistenti. Tuttavia, la loro assenza potrebbe richiedere una rivalutazione della nostra comprensione della materia oscura e della formazione dell’universo.
La sfida del Telescopio Spaziale James Webb
Le teorie della materia oscura fredda prevedono che il Telescopio Spaziale Webb dovrebbe scoprire piccole galassie luminose dell’universo primordiale. Negli ultimi diciotto mesi, il Telescopio Spaziale James Webb ha fornito immagini sorprendenti di galassie lontane formatesi poco dopo il Big Bang, offrendo agli scienziati i primi scorci dell’universo infantile. Ora, un gruppo di astrofisici ha alzato la posta: trovare le galassie più piccole e luminose vicino all’inizio del tempo stesso, o gli scienziati dovranno ripensare completamente le loro teorie sulla materia oscura.
Simulazioni innovative
Il team, guidato da astrofisici dell’UCLA, ha eseguito simulazioni che hanno tracciato 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 a quelle rivelate dalle simulazioni tipiche che non prendono in considerazione queste interazioni, mostrando invece galassie molto più deboli.
L’importanza delle galassie nane negli studi cosmici
Le piccole galassie, chiamate anche galassie nane, sono presenti in tutto l’universo e spesso si pensa rappresentino il tipo più antico 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 corrispondono sempre a ciò che pensano di trovare. Quelle più vicine alla Via Lattea ruotano più velocemente o non sono così dense come nelle simulazioni, indicando che i modelli potrebbero aver omesso qualcosa, come queste interazioni gas-materia oscura.
La nuova ricerca
La nuova ricerca, pubblicata su The Astrophysical Journal Letters, migliora le simulazioni aggiungendo interazioni della materia oscura con il gas e scopre che queste galassie deboli 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 cercare di trovare piccole galassie molto più luminose del previsto utilizzando telescopi come il telescopio Webb. Se trovano solo quelle deboli, allora alcune delle loro idee sulla materia oscura potrebbero essere sbagliate.
La natura elusiva della materia oscura
La materia oscura è un tipo di materia ipotetica che non interagisce con l’elettromagnetismo o la luce. Pertanto, è impossibile osservarla utilizzando ottica, elettricità o 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 sostanza che costituisce tutto l’universo osservabile. Anche se si pensa che l’84% della materia nell’universo sia composta da materia oscura, essa non è mai stata rilevata direttamente.
Avanzamenti teorici nella comprensione della formazione delle galassie
Ma oltre 13 miliardi di anni fa, prima della formazione delle prime galassie, la materia ordinaria, costituita da gas di idrogeno ed elio del Big Bang, e la materia oscura si muovevano l’una rispetto all’altra. Il gas scorreva a velocità supersoniche oltre fitte boscaglie di materia oscura in movimento più lento che avrebbe dovuto attirarlo per formare galassie.
“Infatti, nei modelli che non prendono in considerazione lo streaming, è esattamente ciò che accade”, ha detto Claire Williams, studentessa di dottorato all’UCLA e prima autrice dell’articolo. “Il gas è attratto dalla forza gravitazionale della materia oscura, forma grumi e nodi così densi che può verificarsi la fusione dell’idrogeno e quindi formare stelle come il nostro sole.”
Ma Williams e i coautori del team del Progetto Supersonico, un gruppo di astrofisici dagli Stati Uniti, Italia e Giappone guidato dal professore di fisica e astronomia dell’UCLA Smadar Naoz, hanno scoperto che se aggiungevano l’effetto streaming delle diverse velocità tra materia oscura e materia ordinaria alle simulazioni, il gas atterrava lontano dalla materia oscura e veniva impedito di formare stelle immediatamente. Quando il gas accumulato ricadeva nella galassia milioni di anni dopo, si verificava un’enorme esplosione di formazione stellare tutta in una volta. Poiché queste galassie avevano molte più stelle giovani, calde e luminose rispetto alle normali piccole galassie per un certo periodo, brillavano molto più intensamente.
“Anche se lo streaming ha soppresso la formazione stellare nelle galassie più piccole, ha anche potenziato la formazione stellare nelle galassie nane, facendole brillare più delle zone dell’universo senza streaming”, ha detto Williams. “Prevediamo che il telescopio Webb sarà in grado di trovare regioni dell’universo in cui le galassie saranno più luminose, esaltate da questa velocità. Il fatto che dovrebbero essere così luminose potrebbe rendere più facile per il telescopio scoprire queste piccole galassie, che di solito sono estremamente difficili da rilevare solo 375 milioni di anni dopo il Big Bang.”
Poiché la materia oscura è impossibile da studiare direttamente, la ricerca di zone luminose di galassie nell’universo primordiale potrebbe offrire un test efficace per le teorie sulla materia oscura, che finora sono state infruttuose.
“La scoperta di zone di piccole galassie 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, il Howard e Astrid Preston Professor di Astrofisica. “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 punto di partenza.”
