Nei primi tempi dell’Universo, la nostra galassia appariva molto diversa da come la vediamo oggi. A quel tempo, la regione del nostro Universo che sarebbe poi diventata la nostra Via Lattea era un insieme di migliaia di galassie più piccole: alcune emettevano tonnellate di nuove stelle, altre erano piene solo di gas o disseminate di stelle morte e buchi neri. È possibile osservare come queste galassie si siano aggregate nel tempo, formando il familiare disco a spirale che vediamo oggi, grazie a una nuova serie di simulazioni realizzate da un gruppo di scienziati guidato da Harley Katz, professore associato di astronomia e astrofisica all’Università di Chicago.
Le simulazioni, che hanno richiesto tre anni di elaborazione anche su supercomputer ad alta potenza, rappresentano il modello più dettagliato finora realizzato di come una galassia come la Via Lattea potrebbe essersi evoluta nei primi miliardi di anni della sua esistenza. “Che aspetto ha la Via Lattea in quella che chiamiamo l’alba cosmica?“, ha affermato Katz. “Per la prima volta, possiamo prevedere direttamente come sarebbe apparsa la Via Lattea primordiale a telescopi come Hubble o il James Webb Space Telescope“.
I sei articoli del progetto, denominato MEGATRON, forniscono nuove informazioni sulla composizione delle galassie primordiali e su come gli elementi si sono formati nel tempo. Gli articoli sono stati pubblicati su The Open Journal of Astrophysics.
Come si evolve la Via Lattea nel tempo
Dato che non possiamo viaggiare fino all’alba dell’Universo per studiarlo, uno dei pochi modi che abbiamo per capire come si è evoluto lo spazio nel tempo è costruire modelli computerizzati dettagliati basati su ciò che sappiamo delle leggi della natura. “In sostanza, inseriamo tutta la fisica che riteniamo rilevante – gravità, idrodinamica, radiazione, chimica, ecc. – e poi lasciamo che il modello si evolva per vedere se riproduce ciò che effettivamente vediamo quando ci guardiamo intorno oggi“, ha affermato Katz.
I nuovi dati provenienti dal potente James Webb Space Telescope hanno aggiunto una nuova dimensione alla nostra comprensione dell’Universo. Tre anni fa, un team di scienziati ha intrapreso un progetto per integrare queste nuove conoscenze in un modello di come la nostra galassia avrebbe potuto apparire nel primo miliardo di anni della sua esistenza. Ora possono confrontarlo con le misurazioni ottenute oggi dal telescopio Webb per vedere cosa corrisponde e cosa manca. Se si torna indietro nel tempo, hanno affermato gli scienziati, si osserva una rete di galassie grandi e piccole di tutti i tipi, che alla fine si fonderanno nella moderna Via Lattea.
“Nel modello seguiamo migliaia di sottosistemi e calcoliamo direttamente come sarebbero apparsi con i nostri telescopi spaziali più potenti, che sono di molti ordini di grandezza superiori a quanto simulato in precedenza“, ha affermato Katz. “All’interno di questi si osserva un’incredibile diversità. Alcuni sono in piena fase di formazione stellare, altri sono morti, altri ancora sono in procinto di morire”.
Le scoperte
Una scoperta unica è che il modello prevede l’esistenza di “galassie” che non hanno stelle ma brillano comunque. Alcune di queste galassie potrebbero aver ospitato in passato stelle esplose o collassate direttamente in buchi neri; altre potrebbero aver contenuto solo gas.
Un’altra scoperta affronta un annoso enigma dell’astrofisica stellare. Nella nostra Via Lattea, osserviamo tipicamente che le galassie più piccole e deboli contengono meno ferro. Tuttavia, questa tendenza si interrompe nei sistemi estremamente deboli, dove la quantità di ferro appare costante, indipendentemente dalla massa. Finora, le simulazioni non sono riuscite a riprodurre questo comportamento.
Il colpevole, secondo la simulazione, sono le esplosioni di un tipo esotico di stella, residuo del periodo immediatamente successivo al Big Bang. Queste stelle, note come stelle di Popolazione III, sono così antiche da essere composte solo dai primi elementi esistiti nell’Universo – idrogeno ed elio – e quando esplodono, possono produrre più ferro di altre supernove. Se una galassia è sufficientemente grande, avrà una gravità sufficiente a trattenere questo ferro; ma se è troppo piccola, il ferro si disperderà nello spazio. Queste stelle di Popolazione III, infatti, sono così antiche che nessuna è mai stata osservata direttamente dai telescopi.
Un altro articolo della serie è il primo a mostrare come queste stelle si formano in un ambiente come la Via Lattea e prevede dove sarebbe più probabile trovarle, se ancora esistenti, il che potrebbe aiutare gli astronomi a cercarle.
La fisica delle stelle e degli elementi
Una caratteristica distintiva di queste simulazioni è che sono molto più complesse di qualsiasi altra cosa tentata prima. “Ciò che rende unica la nostra simulazione è che è la prima volta che abbiamo modellato l’arricchimento di singoli elementi chimici provenienti da singole stelle dopo il Big Bang, accoppiandolo a modelli dettagliati per la gravità, la chimica, la radiazione e i processi stellari“, ha affermato Katz. Questo modello, ad esempio, è stato la prima simulazione su larga scala a includere un calcolo dettagliato della “fisica di non equilibrio“. Per semplicità, la maggior parte dei modelli fisici presuppone che la chimica di un sistema sia più o meno in equilibrio; tuttavia, nell’Universo reale, le galassie sono in costante evoluzione, il che spesso invalida questa ipotesi fondamentale. Gli scienziati non sapevano con certezza in che misura ciò avrebbe influito sul risultato finale; inoltre, includere tale aspetto in una simulazione rallenta notevolmente i calcoli.
Tuttavia, due degli articoli che fanno parte dello studio dimostrano che l’introduzione della fisica di non equilibrio ha fatto una reale differenza, soprattutto quando si analizzano i flussi di gas attorno alle galassie, noti come mezzo circumgalattico. Integrare questa complessità consente agli scienziati di interpretare le osservazioni con maggiore precisione e di restringere il campo delle possibili risposte a molti interrogativi sulla formazione dell’Universo.
“Osservando questi risultati, appare evidente che i processi fisici avvenuti subito dopo il Big Bang hanno un impatto diretto su ciò che vediamo oggi nell’Universo locale“, ha affermato Katz. “Ma ci sono anche aspetti che non stiamo cogliendo correttamente, e anche questo è interessante: quali sono le parti che ancora ci sfuggono? È proprio questo tipo di interrogativi a poter aprire nuove strade e sollevare nuove domande”.