Formazione ed evoluzione delle galassie - 1. Come l'Universo è emerso dall'epoca buia


    [13/02/2009] Una serie di eventi importanti presero piede durante la fase oscura dell'Universo:

    a) la nascita delle prime stelle supermassive, le prime esplosioni di supernovae e quindi i primi buchi neri; b) la formazione delle prime mini-galassie che, in accordo con il modello gerarchico di formazione delle galassie, hanno costituito i primi mattoni da cui sono nate tutte le altre; c) l'emissione di fotoni ionizzanti, che hanno dato il via al fenomeno della re-ionizzazione dell'Universo; d) il feedback radiativo meccanico e chimico, che ha pilotato l'evoluzione delle strutture cosmiche.

    Come sempre, il quadro generale può essere carpito solo combinando sapientemente teoria e dati sperimentali.

    In tal modo è possibile identificare i principali obiettivi scientifici connessi all'Universo dopo la ricombinazione:

    • determinare la funzione di massa iniziale delle prime stelle e la sua evoluzione con il redshift;
    • fissare i parametri connessi con i modelli per la re-ionizzazione cosmica;
    • comprendere adeguatamente il ruolo del feedback a partire dall'origine delle prime stelle fino alla formazione delle galassie;
    • determinare il tasso di creazione e il destino ultimo dei buchi neri molto massivi; cercare di osservare direttamente le prime sorgenti cosmiche;
    • identificare qualche residuo fossile proveniente dal periodo oscuro dell'Universo tramite lo studio della metallicità, del mezzo intergalattico, degli emettitori lyman-α e delle stelle povere di metallo dell'alone galattico.
    Immagine di un ammasso di galassie calcolato secondo le simulazioni N-body

    Illustrazione - 1 - Immagine di un ammasso di galassie calcolato secondo le simulazioni N-body; tali simulazioni vengono utilizzate per costruire sofisticati modelli semi-analitici di formazione delle galassie in un ensemble rappresentativo.

    La riga a 21cm

    L'approccio più promettente per lo studio dell'evoluzione del mezzo intergalattico risulta essere lo studio della riga a 21cm (1420MHz), che rappresenta la transizione iperfine allo stato principale dell'idrogeno neutro (HI). Tramite lo studio dell'emissione di questa riga spettrale è possibile tracciare la distribuzione di idrogeno neutro fino all'epoca della re-ionizzazione ad opera delle prime stelle. Rivelare il segnale originato dall'emissione a 21cm nell'epoca buia dell'Universo permetterebbe di determinare la presenza della radiazione di decadimento-annichilazione ad opera della materia oscura.

    Tra redshift 50 e 100, la temperatura di spin dell'idrogeno neutro rimane fissata dalla temperatura cinetica del gas se il tasso di collisioni è adeguatamente alto. In questo scenario, poiché la temperatura cinetica del gas (che nel frattempo si è raffreddata ad opera dell'espansione adiabatica dell'Universo) è più bassa rispetto alla radiazione termica di background nelle microonde, alla lunghezza d'onda di 21cm anziché una riga di emissione si trova una riga di assorbimento.

    La presenza di questa riga di assorbimento rappresenta quindi una indubbia conferma del fatto che il campo di densità  dell'Universo ha attraversato una evoluzione lineare.

    L'intervento di una componente di radiazione prodotta dall'annichilazione-decadimento della materia oscura può alterare questa evoluzione, aumentando la temperatura cinetica del gas e cambiando quindi la frazione ionizzante di HI. La detezione di questo effetto potrebbe fornire chiare indicazioni sulla natura della materia oscura.

    Attendiamo fiduciosi...

    Le prime stelle

    Molti studi suggeriscono che le prime stelle originatesi nell'Universo fossero molto massive, nel senso che la loro funzione di massa era molto diversa da quella osservata nell'Universo attuale.

    Si discute ormai da anni sull'esistenza di una metallicità critica, oltre la quale le proprietà  di frammentazione delle nubi di materia che formano le stelle possano cambiare drasticamente.

    La fisica teorica dettagliata della frammentazione di queste nubi deve necessariamente trovare riscontri osservativi per avere validità  scientifica.

    Il valore preciso della metallicità critica si scontra con la poca comprensione che abbiamo del ruolo della polvere eiettata dalle esplosioni delle prime supernovae.

    Studi recenti suggeriscono che il fenomeno di collasso di stelle molto massicce possa aver provocato la formazione di buchi neri di massa intermedia, i quali hanno avuto come conseguenza la creazione di GRBs (Gamma Ray Bursts).

    Tale percorso cumulativo di comprensione sul dove quando e perché si formarono le prime stelle massicce è di cruciale importanza per determinare l'evoluzione e comprendere le differenze osservative con le stelle povere di metalli presenti negli aloni delle galassie.

    Re-ionizzazione cosmica

    Le osservazioni di epoche cosmiche abbastanza vicine alle nostre hanno mostrato che il gas è principalmente presente in uno stato re-ionizzato.

    Non è ancora perfettamente chiaro il momento in cui tale gas sia passato dallo stato neutro (all'epoca della ricombinazione) allo stato ionizzato: l'incertezza sull'epoca alla quale tale fenomeno avvenne è largamente dovuta all'incertezza nello stabilire quali sorgenti siano realmente responsabili della produzione di fotoni ionizzanti (stelle, quasar, decadimento-annichilazione di materia oscura, gas virializzato entro le strutture cosmiche ecc.).

    Non va dimenticato, inoltre, che ogni categoria di candidati/oggetti astrofisici responsabile di emettere radiazione ionizzante viene suddivisa in tante altre sottocategorie, ognuna delle quali presenta comportamenti molto differenti.

    Il passo fondamentale di questo processo determina quindi la storia pregressa del fenomeno della re-ionizzazione e tale storia risulta strettamente legata a un complesso fenomeno fisico di interconnessione denominato "feed-back": la radiazione ultravioletta (e gli elementi pesanti prodotti dalle stelle), necessaria a ionizzare il plasma cosmico presente in una galassia, è in grado di influenzare la formazione stellare diminuendone il tasso; ciò determina una conseguente diminuzione del tasso di generazione di fotoni ultravioletti ionizzanti.

    Sono stati indentificati teoricamente almeno quattro diversi tipi di feed-back operanti durante l'epoca oscura dell'Universo:

    1. radiativo, che governa il tasso di formazione/distruzione del gas responsabile del raffreddamento e quindi del collasso delle prime (mini-galassie) strutture;
    2. chimico, che causa una dipendenza dalla metallicità  del processo di frammentazione delle nubi, facendo diventare la funzione di massa iniziale normale;
    3. meccanico, che riscalda e ionizza il gas ed è causato dall'energia cinetica depositata nel plasma dalle esplosioni di supernovae, il cui effetto principale è una diminuzione del tasso di formazione delle galassie insieme a un rimescolamento dei componenti del gas interstellare ed intergalattico;
    4. magnetico, che può essere amplificato in maniera importante dalla turbolenza nel plasma indotta dalle esplosioni di supernovae e/o dalla compressione del plasma durante la formazione delle proto-galassie.

    Il campo di indagine subirà  a breve una notevole spinta in avanti grazie all'attività  del satellite Plank che misurerà  con precisione la temperatura della radiazione fossile di microonde e del suo spettro di polarizzazione.

    Combinando le osservazioni di Plank con quelle dell'ACT (Acatama Cosmology Telescope) ed ALMA, che esploreranno le strutture delle anisotropie con scala sub-arcominuto, sarà possibile identificare i processi responsabili della re-ionizzazione cosmica.

    A queste osservazioni si aggiungeranno le osservazioni nel Radio con E-VLA, ALMA e SKA al fine di ottenere un quadro multibanda sempre più dettagliato.

    Era della re-ionizzazione nel quadro generale dell'evoluzione dell'Universo

    Illustrazione - 2 - Era della re-ionizzazione nel quadro generale dell'evoluzione dell'Universo. Il tempo scorre dal basso (formazione dell'Universo) verso l'alto (era attuale).©University of Cambridge

    Illustrazione - 2 - large[520 x 700 pixels]

    I primi buchi neri e la loro evoluzione

    I buchi neri supermassicci, che osserviamo oggi al centro di molte galassie, si formarono probabilmente in seguito alla distruzione delle prime stelle supermassive nel giovane Universo.

    In questa epoca si formarono molti buchi neri di massa intermedia (IMBHs), che divennero i motori centrali dei quasar di allora. Assieme alla formazione di questi IMBHs vennero anche rilasciate copiose onde-gravitazionali, che in principio potrebbero essere rivelate da LISA.

    Una grande lacuna contemporanea riguarda la teoria alla base dell'accrescimento di questi primi aggregati di gas a formare le prime proto-stelle supermassive e quindi dei validi modelli radiativo-idrodinamici per la formazione dei primi buchi neri.

    Risulta quindi di cruciale importanza la comprensione delle proprietà  emittenti di tali oggetti come funzione del loro "environment", al fine di comprendere il loro impatto sul fenomeno della re-ionizzazione cosmica e del modello di feed-back sulla formazione di stelle e galassie.

    Le attuali osservazioni sembrerebbero confermare una copiosa produzione di fotoni nella banda X da parte di questi oggetti. Tale produzione potrebbe far pensare a un efficiente processo di accrescimento di gas sui buchi neri centrali, il quale avrebbe a sua volta determinato l'accrescimento dei primi buchi neri da poche centinaia di masse solari fino ai milioni e/o miliardi attualmente osservabili.

    Abbreviazioni utilizzate e Sitografia:

    abbreviazioni_e_sitografia



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