Una nuova simulazione numerica creata da alcuni astrofisici del McWilliams Center for Cosmology presso la Carnegie Mellon University (CMU) e dalla University of California a Berkeley mostra, per la prima volta, che le grandi galassie a disco, un po’ come la nostra galassia, sarebbero state presenti durante le fasi primordiali della storia cosmica. Gli scienziati hanno trovato che 500 milioni di anni dopo il Big Bang l’Universo doveva essere più ordinato e strutturato di quanto si pensasse. Questi risultati, che appariranno sull’Astrophysical Journal Letters, aiuteranno i ricercatori ad utilizzare i telescopi di nuova generazione, come WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) e JWST (James Webb Space Telescope) verso la ricerca di prove sull’esistenza di queste strutture galattiche primordiali.
«Ho una certa soggezione a pensare che galassie come la Via Lattea sono esistite quando l’Universo era ancora giovane», spiega Tiziana Di Matteo della CMU e co-autrice dello studio. «C’è da dire che le osservazioni più profonde realizzate con il telescopio spaziale Hubble hanno coperto solamente piccoli volumi di spazio e hanno permesso di trovare un certo numero di galassie irregolari e ammassate presenti durante le epoche primordiali. Non è poi così sorprendente che in queste regioni limitate dello spazio alcune delle galassie più piccole non abbiano morfologie regolari come le grandi galassie a disco. Analogamente, anche le simulazioni numeriche sono state limitate in termini di scala spaziale per cui è stato possibile fare solo delle previsioni per quelle galassie primordiali più piccole». Di Matteo e il collega Rupert Croft della CMU, altro co-autore dello studio, si sono sempre occupati di “cosmologia virtuale” e hanno costruito alcune delle simulazioni più grandi che siano mai state realizzate. La loro attuale simulazione, chiamata BlueTides, è 100 volte più grande rispetto alle precedenti. La simulazione è così enorme che ha monopolizzato tutta la memoria del supercomputer BlueWater della National Science Foundation (NSF) e sono stati necessari quasi 1 milione di CPU per completarla.
Questo grafico mostra la simulazione BlueTides. Gli inserti si riferiscono alle regioni dello spazio dove è presente il buco nero più massivo e la galassia più massiva su scale differenti. Le croci indicano la posizione dei buchi neri supermassicci. Credit: Feng et al. 2015/bluetides-project.org
Di Matteo, Croft e il loro ex studente Yu Feng, ora ricercatore post-doc alla University of California a Berkely e autore principale dello studio, hanno costruito la simulazione partendo dai vincoli previsti dalla teoria della materia oscura fredda, l’attuale modello cosmologico standard che tenta di spiegare cosa sia accaduto all’Universo subito dopo il Big Bang. Una volta completata la simulazione, i ricercatori hanno analizzato i dati per vedere i risultati, un po’ come i cosmologi osservativi farebbero dopo aver raccolto i dati da un telescopio. La sorpresa è stata quella di trovare un certo numero di galassie a disco appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Dato che le galassie sono strutture molto grandi e complesse, è opinione comune che esse dovrebbero impiegare molto tempo per formarsi perciò sarebbero rare, se esistessero davvero, nell’Universo primordiale. «Dal punto di vista teorico, pensiamo che quando l’Universo aveva un’età di circa 500 milioni di anni esso doveva essere un luogo alquanto caotico e disordinato», dice Croft. «Le nostre simulazioni hanno invece mostrato che l’Universo delle origini è stato tutt’altro che questo e potrebbe aver contenuto galassie spettacolari e alquanto simmetriche, come la nostra Via Lattea».
Un campione di 10 galassie massive a disco (viste sia frontalmente che di taglio) selezionate dalla simulazione BlueTides a redshift z=8, così come dovevano apparire 500 milioni di anni dopo il Big Bang secondo i dati di Yu Feng et al. I risultati suggeriscono che le prime galassie massive erano per la maggior parte a forma di disco. Credit: Feng et al. 2015
Inoltre, sempre a partire dalle simulazioni, gli scienziati sono stati in grado di ricavare una serie di parametri relativi alla luminosità, dimensioni angolari, morfologia, colori e numero atteso delle galassie. Quando i telescopi come WFIRST e JWST saranno operativi, sarà possibile dare la caccia a quegli oggetti per verificare se essi descrivono la simulazione BlueTides. Se i risultati delle osservazioni e della simulazione saranno confrontabili potremo affermare di aver ottenuto delle “prove” a favore della teoria della materia oscura fredda. «Stiamo vivendo davvero un momento emozionante nell’ambito della ricerca in cosmologia. Prima, non eravamo in grado di studiare le galassie a disco primordiali con i telescopi perchè le galassie sono troppo deboli e rare. Inoltre, non eravamo in grado di studiarle al computer perchè nessun computer era in grado di soddisfare a queste esigenze. Ora abbiamo la tecnologia per far questo per cui siamo in grado di realizzare le simulazioni grazie ai potenti supercomputer. Il passo successivo sarà quindi quello di utilizzare i telescopi moderni come WFIRST per eseguire le osservazioni», conclude Di Matteo.
The Astrophysical Journal: Yu Feng et al. 2015 – THE FORMATION OF MILKY WAY–MASS DISK GALAXIES IN THE FIRST 500 MILLION YEARS OF A COLD DARK MATTER UNIVERSE