MACS2129-1 è una galassia lontanissima, a 10 miliardi di anni luce da noi e in un tempo in cui l'Universo aveva appena 3 miliardi di anni. Ci appare priva di zone di formazione di nuove stelle, ma quelle che ospita, sorprendentemente, sono disposte in un disco in rapida rotazione, proprio come la Via Lattea. A scoprire questa galassia, dalla conformazione simile alla nostra, massiccia ma già "morta" in un'epoca nella quale invece l'Universo ha mostrato il massimo ritmo di produzione di nuovi astri, è stato un team internazionale di ricercatori, tra cui Anna Gallazzi e Stefano Zibetti dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Firenze, guidato da Sune Toft, dell'Istituto Niels Bohr (NBI) dell'Università di Copenhagen, in Danimarca.
Mai prima d'ora era stata osservata una galassia primordiale di grande massa che mostrasse allo stesso tempo di possedere un disco stellare ben ordinato e un tasso di formazione stellare praticamente nullo: MACS2129-1 mette in crisi le più accreditate teorie secondo le quali solo eventi catastrofici, che rimescolano le stelle e distruggono le ordinate strutture dei dischi trasformandoli in sferoidi, sono in grado di interrompere la formazione stellare in queste enormi galassie primordiali.
Vedi: la prima foto di un buco nero: un approfondimento di Andrea Parlangeli, giornalista di Focus.
Il lavoro dell'EHT è una "lezione di umiltà", afferma Maria Popova (@brainpicker) su Twitter: quattro secoli fa, quando puntammo i primi telescopi verso il cielo, c'era chi pensava che la Terra fosse al centro dell'Universo. Fino a un secolo fa non si spingeva lo sguardo oltre la Via Lattea e solo nel 1851 John Adams Whipple catturò la prima foto di una stella (Vega, a 25 anni luce di distanza). Oggi, un concetto che persino Einstein concepiva solo come una possibilità teorica diventa reale quanto la gravità: così abbiamo la prima foto di un buco nero - M87, a 55 milioni di anni luce da noi.
Foto: © EHT Event Horizon Telescope
Verso Plutone e ritorno. Se si potessero dipanare e poi unire tutte le doppie eliche di DNA contenute nelle cellule del corpo umano, si formerebbe un filamento lungo 16 miliardi di km: abbastanza per portarci fino a Plutone, e poi tornare indietro.
Foto: © Chris Beckett, Flickr
L'umanità in una zolletta di zucchero. Il 99,9999999% degli atomi della materia ordinaria è costituito da spazio vuoto. La struttura dell'atomo ricorda un Sistema Solare in miniatura, con il nucleo che occupa pochissimo spazio, rispetto agli elettroni che vi orbitano attorno. Se potessimo escludere tutto questo spazio vuoto e comprimere ciò che rimane, i 7 miliardi di abitanti della Terra starebbero comodamente condensati in un cubo delle dimensioni di una zolletta di zucchero.
Foto: © Eke Miedaner, Flickr
Siamo davvero "polvere di stelle". Le esplosioni stellari lasciano dietro di sé gli elementi costitutivi dei futuri sistemi planetari. Quindi gli atomi di cui siamo composti, da quelli di calcio nelle ossa al ferro del nostro sangue, ma anche ossigeno e carbonio, sono stati sintetizzati in stelle miliardi di anni fa, e poi diffusi in antichissime supernovae.
Foto: © NASA/CXC/SAO
Antichi quanto l'Universo. L'idrogeno insito in ogni molecola d'acqua del nostro corpo ha invece una provenienza ancora più antica: viene direttamente dal Big Bang. Il 50-75% del nostro corpo proviene quindi dal sussulto originario dell'Universo.
Foto: © SPL/Contrasto
C'è il Big Bang in TV. Restando in tema di Universo primordiale, prima dell'avvento delle moderne TV, per averne un assaggio bastava osservare le interferenze di sintonizzazione tra una frequenza e l'altra. In esse, secondo la Nasa, è rintracciabile ancora una buona percentuale della radiazione cosmica di fondo a microonde, un'"impronta" della luce primordiale dell'Universo.
Foto: © SPL/Contrasto
Guardare le stelle è come fare un viaggio nel tempo. Non è una novità, ma non smette di meravigliarci: la luce di alcune stelle impiega così tanto tempo a raggiungere il nostro sguardo, che osservare una stellata notturna equivale a fare un tuffo nel passato. Hubble riesce a "guardare" indietro nel tempo fino a 13 miliardi di anni fa.
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Foto: © Kartik Ramanathan, Flickr
Sulla Luna abbiamo lasciato impronte indelebili (o quasi). Le orme del «grande balzo per l'umanità» di Neil Armstrong e Buzz Aldrin rimarranno visibili nel suolo lunare molto a lungo, forse fino a quando esisterà la Luna. Questo perché sul nostro satellite non ci sono venti, piogge o altri fenomeni atmosferici che possano cancellare le impronte degli astronauti.
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Foto: © Nasa
Lo Spazio profondo è incredibilmente silenzioso. Di un silenzio che non riusciamo neppure a immaginare: le onde sonore hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, e nello spazio interstellare che separa stelle, pianeti, lune e comete, c'è effettivamente il vuoto: al suono manca un mezzo in cui propagarsi.
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Foto: © ESA
Se un'astronave viaggiasse alla velocità della luce, i fari farebbero il loro dovere? Certo: come dimostrato dalla teoria della Relatività ristretta di Albert Einstein, la velocità della luce appare la stessa per ogni
osservatore inerziale, il cui moto cioè non sia accelerato. Ciò significa che viaggiando a una qualunque velocità costante, per quanto prossima a quella della luce, vedremmo i fasci dei fari allontanarsi dalla nostra astronave alla loro normale e consueta velocità.
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Nello Spazio saremmo saldatori provetti. Due pezzi dello stesso metallo che si tocchino nel vuoto dello Spazio, si fonderanno in modo perenne, perché gli elettroni percepiranno un'unica sequenza di atomi tra i quali "zigzagare". Lo stesso procedimento si può replicare anche sulla Terra, in condizioni di laboratorio.
Foto: © Thomson Reuters
Su Venere un anno dura meno di un giorno. Su Venere la rotazione sull'asse (oltretutto, retrograda) dura 243 giorni terrestri. La rivoluzione intorno al Sole, invece, dura 225 giorni terrestri. Pertanto su questo pianeta, un giorno dura più di un anno.
Foto: © NASA Goddard Spaceflight Center
Il gigante e la biglia. Il Sole costituisce da solo il 99% di tutta la massa del Sistema Solare: la sua massa è pari a 333 mila volte quella terrestre. Ci vorrebbero invece 1,3 milioni di pianeti come il nostro per riempire il volume della nostra stella.
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Foto: © ESA
Ci sono più stelle in cielo che granelli di sabbia sulla Terra, e non è un modo di dire. Secondo una stima dei ricercatori dell'Università delle Hawaii, ci sarebbero 7,5 miliardi di miliardi (cioè 10 alla diciottesima potenza) di granelli di sabbia sul nostro pianeta. Nell'Universo potrebbero esserci invece 300 sestilioni di stelle (ossia 300.000.000.000.000.000.000.000 di stelle, o 3 seguito da 23 zeri), una cifra che fa impallidire i granelli di sabbia.
Foto: © Flickr / Capture Queen
L'Everest e le stelle di neutroni. Le stelle di neutroni, cioè il risultato dell'evoluzione di stelle di massa pari a qualche volta quella del Sole, sono così dense che una tazzina di esse peserebbe più di un miliardo di tonnellate, quanto l'Everest!. L'esplosione che porta il nucleo di ferro di questi residui stellari a collassare su se stesso in modo estremamente violento, spinge poi questi oggetti a ruotare intorno al proprio asse compiendo centinaia o anche migliaia di giri al secondo.
Non conosciamo che un ventesimo dell'Universo. La materia ordinaria e osservabile costituisce appena il 5% dell'Universo. Il rimanente 95% è composto da energia oscura (68%) e materia oscura (27%), sulle quali sappiamo ancora molto poco.
Foto: © Nasa
Le proprietà di MACS 2129-1 raccolte grazie alle osservazioni del Very Large Telescope (VLT) dell'Eso e del telescopio spaziale Hubble di Nasa ed Esa sono decisamente fuori dal comune: la sua massa è circa il triplo della Via Lattea, ma le sue dimensioni sono circa la metà. Lo studio sui moti delle stelle di MACS2129-1 mostrano che esse ruotano attorno al centro a oltre 500 chilometri al secondo, due volte più veloci di quelle della nostra Galassia.
Le contraddizioni. Le galassie sono sistemi stellari che gli astronomi raggruppano in due categorie principali: le galassie a spirale, come la Via Lattea, e le galassie ellittiche. Una delle differenze più importanti tra le due è che mentre le galassie a spirale sfornano nuove stelle trasformando il gas al loro interno, quelle ellittiche hanno smesso di farlo da tempo e per questo vengono definite galassie morte. Anche i moti delle stelle al loro interno sono alquanto diversi: nella Via Lattea e nelle sue simili le stelle ruotano con regolarità e in modo approssimativamente circolare attorno al centro, mentre gli astri nelle galassie ellittiche seguono percorsi più caotici.
I motivi per i quali le galassie ellittiche hanno smesso di produrre nuove stelle già in epoche remote nella storia dell'universo sono tutt'altro che chiari. Le teorie oggi più accreditate suggeriscono che gli scontri tra galassie possano avere in alcuni casi innescato una super produzione stellare, comprimendo nelle regioni centrali tutto il gas disponibile - che poi si è condensato in nuovi astri.
Questi scontri non lascerebbero scampo ai dischi originari, riducendo le galassie a sferoidi con stelle in moto disordinato.
Sarà anche oscura, ma non vuol dire che non la vediamo - La materia di cui siamo fatti noi, i pianeti e le galassie, tutta insieme fa solamente il 4,9 per cento della materia dell'Universo. Il 26 per cento circa del cosmo è materia invisibile: non sappiamo di che cosa sia effettivamente fatta. Il restante 69 per cento circa dell'Universo è "energia oscura", della quale sappiamo... poco o nulla. Il fatto che la materia più diffusa nell'Universo sia "oscura" non significa solo che è invisibile ai nostri occhi o quasi del tutto sconosciuta: è oscura perché non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica, né nello spettro della luce visibile, né nei raggi X e nemmeno nelle altissime energie.
Foto: © American Museum of Natural History
È proprio materia - La materia oscura, per quanto misteriosa, ha gli stessi comportamenti della materia comune almeno per ciò che riguarda l'interazione con lo spazio e con il tempo: si diluisce quando può espandersi in un volume più ampio ed esercita la stessa attrazione gravitazionale della materia ordinaria. Nella foto, una mappa tridimensionale della materia oscura nell'Universo elaborata dalla Nasa e dall'Esa.
Foto: © NASA/ESA/Richard Massey (California Institute of Technology)
Come facciamo a sapere che c'è? - L'esistenza della materia oscura è dimostrabile: per esempio con il fatto che le galassie esercitano una forza di attrazione gravitazionale più grande di quella attribuibile alla sola materia visibile (vedi come). La materia oscura è anche necessaria per spiegare perché le stelle più esterne ruotano così velocemente attorno al centro della loro galassia. E le fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo (foto), cioè la radiazione elettromagnetica residua prodotta dal Big Bang che permea l'Universo, non sarebbe spiegabile senza la materia oscura.
Foto: © ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Italy) / CFHTLS
Non fu scoperta da Vera Rubin - Il primo astrofisico a rendersi conto che la massa visibile delle galassie non era sufficiente a spiegarne la forza gravitazionale e a teorizzare l'esistenza di una nuova forma di materia fu, nel 1933, lo svizzero Fritz Zwicky durante lo studio delle galassie della Chioma e della Vergine. Vent'anni più tardi l'astronoma americana Vera Rubin riuscì a collezionare una serie di dati che dimostravano l'esistenza della materia oscura in tutte le altre galassie e non solo in quelle osservate da Zwicky.
La Materia oscura "sta molto sulle sue" - Non interagisce né con la materia ordinaria né con se stessa. Un esempio ce lo fornisce l'ammasso del Proiettile (nella foto), formato da due ammassi di galassie passati uno attraverso l'altro (vedi). Al centro della foto, in rosa, c'è la materia ordinaria, “immortalata” dai raggi X di Chandra: nello scontro ha rallentato la sua corsa e ha cambiato visibilmente forma. Al contrario la materia oscura, evidenziata in blu ai alti, non sembra aver subito particolari effetti.
Come si può osservare la materia oscura? Grazie a un effetto noto come lente gravitazionale: si tratta della deflessione della radiazione emessa da una sorgente luminosa a causa della presenza di una massa posta tra la sorgente e l'osservatore.
Foto: © NASA/ESO
È responsabile della struttura dell'Universo - Non interagendo con la materia ordinaria, la materia oscura è il primo tipo di elemento che si espande insieme all'Universo e il primo a formare strutture grazie alla sua stessa forza gravitazionale. La materia oscura dà cioè forma ai primi filamenti che formano la struttura delle galassie: attorno a questi, attratta dalla loro forza di gravità, converge la materia ordinaria. Nell'immagine: la formazione di strutture di materia oscura in una simulazione.
Foto: © MPA Garching
Non è distribuita uniformemente - La materia oscura non solo forma filamenti più grandi delle galassie, ma non è neanche distribuita uniformemente tra le galassie stesse. La sua interazione è troppo debole perché riesca a formare oggetti densi come pianeti, ma si condensa in "nuvole" che si muovono nelle galassie. La densità di queste nuvole varia ed è maggiore verso il centro delle galassie stesse. E poiché la materia oscura non ruota insieme alle stelle, sistemi solari come il nostro si muovono all'interno di un vento di particelle di materia oscura. Nell'immagine: la simulazione su larga scala della distribuzione della materia nell'Universo, con le galassie distribuite in ammassi e filamenti.
Foto: © NASA
I fisici hanno molte teorie - Che cosa potrebbe essere la materia oscura? Secondo le ipotesi più accreditate si tratta di particelle diverse dai “soliti” protoni, neutroni ed elettroni a noi noti. I fisici per il momento le chiamano Wimp (Weakly Interacting Massive Particles, cioè “particelle con massa poco interagenti”), perché questi presunti corpuscoli non emettono (né riflettono) luce e attraversano come fantasmi la materia ordinaria. Si tratterebbe di particelle molto pesanti - con massa pari almeno a quella della più pesante particella conosciuta. Oppure potrebbe trattarsi di assioni, particelle elementari molto leggere che però si aggregano in ammassi molto pesanti che riempiono l'Universo. Nell'immagine composita: l'ammasso galattico Abell 520 dove si suppone sia presente un "picco" di materia oscura.
Foto: © NASA
Però sappiamo che cosa non è - L'incertezza degli astrofisici finisce quando si incomincia a parlare di che cosa non è la materia oscura: non è formata per esempio da buchi neri o nane brune. Conosciamo infatti la massa della materia oscura presente nella nostra galassia e se fosse formata interamente da buchi neri vedremmo costantemente eventi prodotti da lenti gravitazionali (nella foto). Ma così non succede. E la materia oscura non può essere fatta nemmeno di neutrini, poiché sono troppo leggeri e non riuscirebbero a legarsi tra loro così da formare i filamenti che formano la struttura delle galassie.
Foto: © NASA/CFHT
Chi l'ha vista? - Nessuno è mai riuscito a osservare direttamente una particella di materia oscura e le uniche prove che abbiamo della sua esistenza sono indirette. Ogni tanto, però, qualche collisione potrebbe esserci, e vari esperimenti in tutto il mondo (in Italia, nei laboratori del Gran Sasso) cercano di “fotografare” questi eventi per capire qualcosa sulle Wimp. Finora non si sono ottenuti risultati, e non manca chi ritiene che si tratti di un abbaglio (vedi). Secondo il fisico israeliano Mordehai Milgrom, per esempio, la materia oscura non esiste affatto: è la gravità che bisognerebbe riscrivere. Ai margini delle galassie, afferma, questa forza sarebbe più intensa di quanto ipotizzato dalle attuali teorie. Nella foto: uno scienziato nel laboratorio sotterraneo di Boulby (Inghilterra), dove si svolge l’esperimento denominato Drift che sta cercando di rilevare la materia oscura.
Foto: © SPL /Contrasto
Come proseguire - La materia oscura è un bell'enigma per gli astrofisici di tutto il mondo ed è comprensibile se gli spunti che avete letto in queste schede non vi hanno dato tutte le risposte. Per iniziare potete allora guardare questo video dedicato alla materia e all'energia oscura, mentre qui trovate un secondo video, più breve, solo sulla materia oscura. Infine, a questo link trovate tutte le ultime teorie e le ricerche in corso nel mondo per "osservare" la materia oscura.
«Gli spettri ottenuti con il VLT ci hanno permesso di stabilire senza alcun dubbio che la galassia MACS2129-1, al momento in cui la osserviamo, ha smesso di formare nuove stelle già da un miliardo di anni», commenta Anna Gallazzi, co-autrice dello studio, che ha eseguito l'analisi del contenuto stellare della galassia. «In altre parole è una galassia morta, come usano dire gli astronomi. La quantità di stelle che ospita e il loro grado di arricchimento chimico, in tutto simili a quello di altre galassie morte, dimostrano che MACS2129-1 ha raggiunto la sua maturità appena 3 miliardi di anni dopo il Big Bang.»
Qualcosa però non torna: a differenza delle galassie morte più vicine a noi, caratterizzate da forma sferoidale e stelle in moto disordinato, MACS2129-1 ha una forma a disco, come la Via Lattea, e ruota molto rapidamente. Questo è incompatibile con la teoria degli scontri.
Il gioco delle lenti. Se i ricercatori sono riusciti ad analizzare così in dettaglio la remota galassia, è anche grazie al fatto che si trova esattamente dietro un ammasso di galassie più vicino, che ha fatto da lente gravitazionale, amplificando e ingrandendo l'immagine di MACS2129-1, permettendo di studiare la distribuzione delle stelle nella galassia e i loro moti.
«Le immagini del telescopio spaziale Hubble sono state fondamentali per ricostruire il funzionamento della complessa lente gravitazionale attraverso cui vediamo la galassia MACS2129-1 e correggerne le distorsioni, ma il contributo da terra del VLT di Eso con il suo spettrografo XShooter è stato cruciale per determinare la natura di "disco rotante" di questa galassia», sottolinea Stefano Zibetti, che ha analizzato gli spettri per isolare il contributo delle stelle da quello del gas interstellare ed elaborato i modelli che hanno consentito di interpretarli in termini di proprietà delle popolazioni stellari. «Ulteriori osservazioni su altre galassie con i telescopi di nuova generazione, come il James Webb Space Telescope (vedi) e l'Extremely Large Telescope, ci permetteranno di stabilire l'eccezionalità o meno di sistemi come MACS2129-1 nell'Universo primordiale.»
Per approfondire: lo studio A massive, dead disk galaxy in the early Universe, è pubblicato su Nature (sommario, in inglese).
