L’universo non è un insieme casuale di galassie e ammassi di galassie, ma ha una struttura ben definita, chiamata rete cosmica. Si tratta di una rete di filamenti di gas che collega le galassie e gli ammassi di galassie tra loro, formando una sorta di tela cosmica, questa struttura è molto debole e difficile da osservare, e finora gli astronomi hanno dovuto usare i quasar, delle sorgenti luminose molto distanti, per illuminarla e studiarla.
Ma ora, grazie a un nuovo strumento installato sull’Osservatorio WM Keck alle Hawaii, gli astronomi sono riusciti a vedere la rete cosmica senza bisogno di quasar, rivelando in un articolo pubblicato su Nature Astronomy, nuovi dettagli sulla sua forma e composizione, con quello che rappresenta un passo avanti nella nostra conoscenza della rete cosmica e del suo ruolo nell’universo.
Come si è formata la rete cosmica?
La rete cosmica si è formata a seguito del Big Bang, l’evento che ha dato origine all’universo circa 13,8 miliardi di anni fa, subito dopo il quale l’universo era una zuppa densa e calda di particelle elementari, come elettroni, protoni e neutroni. Queste particelle interagivano tra loro attraverso le quattro forze fondamentali della natura: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole.
Tra queste forze, la più debole era la forza gravitazionale, ma era anche la più importante per la formazione della rete cosmica, infatti la forza gravitazionale agiva su grandi distanze e su grandi quantità di materia, creando delle piccole fluttuazioni nella densità della zuppa primordiale. Queste fluttuazioni erano le prime “sementi” delle strutture a grande scala dell’universo.
Con il passare del tempo, l’universo si espandeva e si raffreddava, e le particelle elementari si combinavano tra loro per formare atomi di idrogeno e elio, con questi atomi che erano neutri e non interagivano più con la radiazione elettromagnetica che riempiva l’universo. Questa radiazione si separò dalla materia e si propagò liberamente nello spazio, radiazione oggi conosciuta come radiazione cosmica di fondo ed è una delle prove più importanti dell’esistenza del Big Bang.
La materia invece continuava a subire l’effetto della forza gravitazionale, che accentuava le fluttuazioni di densità già presenti. Le regioni più dense attrassero maggiormente la materia circostante, creando delle zone dove la materia si accumulava, le quali erano i primi embrioni delle galassie e degli ammassi di galassie. Al contrario, le regioni meno dense si svuotarono di materia, creando dei vuoti nello spazio.
La materia che si accumulava nelle zone dense non era distribuita in modo uniforme, ma seguiva dei modelli geometrici determinati dalla geometria dell’universo e dalla natura della materia stessa, in particolare, la materia ordinaria, o barionica, che costituisce le stelle, i pianeti e noi stessi, era influenzata dalla pressione del gas e dalle onde sonore che si propagavano nell’universo primordiale. Questi fenomeni creavano delle oscillazioni nella distribuzione della materia barionica, chiamate oscillazioni acustiche barioniche (BAO). Le BAO determinavano delle scale preferenziali nella distribuzione della materia barionica nello spazio.
La materia oscura invece era immune alla pressione del gas e alle onde sonore, perché interagiva solo attraverso la gravità. La materia oscura costituisce circa il 85% della materia dell’universo ed è una sostanza invisibile e misteriosa, di cui non conosciamo la natura. La materia oscura determinava delle scale preferenziali nella distribuzione della materia oscura nello spazio, chiamate picchi di materia oscura.
La combinazione delle BAO e dei picchi di materia oscura creava una struttura a rete nello spazio, dove la materia si concentrava lungo dei filamenti che si intersecavano in nodi, ovvero la rete cosmica, che delinea l’architettura dell’universo.
Come si osserva la rete cosmica?
Come appena detto, è la struttura più grande e misteriosa dell’universo, si tratta di una rete di filamenti di gas che collega le galassie e gli ammassi di galassie tra loro, formando una sorta di tela cosmica. Questa struttura è molto debole e difficile da osservare, perché il gas che la compone emette una radiazione molto tenue e perché la rete cosmica è molto distante da noi, per questo motivo, gli astronomi usano diverse tecniche per rivelarla, come l’uso dei quasar come sorgenti di retroilluminazione, o l’uso di strumenti sensibili alla linea Lyman alfa dell’idrogeno.
I quasar sono dei nuclei galattici attivi, ovvero delle regioni centrali di alcune galassie dove si trova un buco nero supermassiccio che inghiotte la materia circostante e emette una grande quantità di energia. I quasar sono tra le sorgenti luminose più potenti e più distanti dell’universo e possono essere usati come dei fari per illuminare la rete cosmica, infatti quando la luce dei quasar la attraversa, parte della luce viene assorbita dal gas idrogeno presente nei filamenti.
Questo fenomeno crea delle linee di assorbimento nello spettro della luce dei quasar, chiamate foreste Lyman alfa, ed analizzando queste linee, gli astronomi possono dedurre la presenza, la densità e la temperatura del gas idrogeno nella rete cosmica.
Tuttavia, questa tecnica ha dei limiti. Innanzitutto, i quasar sono rari e non sempre si trovano nella direzione giusta per illuminare la rete cosmica, per di più le linee di assorbimento sono difficili da interpretare e non permettono di ricostruire la forma tridimensionale, infine le linee di assorbimento sono sensibili solo all’idrogeno neutro, che è una piccola frazione del gas totale nella rete cosmica.
Per superare questi limiti, gli astronomi hanno sviluppato una nuova tecnica, basata sull’osservazione diretta dell’emissione del gas idrogeno nella rete cosmica. Il gas idrogeno emette una debole radiazione quando viene eccitato da una fonte energetica, come una stella o una galassia. Questa radiazione ha una lunghezza d’onda specifica, chiamata linea Lyman alfa, che può essere rilevata da strumenti appositi.
Uno di questi strumenti è il Keck Cosmic Web Imager, o KCWI, progettato dal professor Christopher Martin, del Caltech. Il KCWI è installato sull’Osservatorio WM Keck in cima a Maunakea alle Hawaii e ha permesso agli astronomi di vedere per la prima volta la rete cosmica senza bisogno di quasar. Il KCWI è in grado di misurare le diverse emissioni Lyman alfa a diverse lunghezze d’onda e di creare una mappa tridimensionale della rete cosmica.
“Prima di quest’ultima scoperta, abbiamo visto le strutture filamentose sotto l’equivalente di un lampione. Ora possiamo vederle senza lampada”
ha detto Martin in una dichiarazione.
Questa tecnica ha diversi vantaggi rispetto alla precedente: innanzitutto, non dipende dalla presenza dei quasar e può essere applicata a qualsiasi regione del cielo, in secondo luogo permette di ricostruire la forma tridimensionale della rete cosmica e di misurare le sue proprietà fisiche, come la densità, la temperatura e il moto del gas idrogeno. Infine, è sensibile a tutto il gas idrogeno nella rete cosmica, non solo a quello neutro.
Perché è importante studiarla?
Studiare la rete cosmica è importante per la nostra comprensione dell’universo nel suo insieme. La rete cosmica è il luogo dove risiede la maggior parte della materia normale, o barionica, che costituisce le stelle, i pianeti e noi stessi. Inoltre, la rete cosmica traccia direttamente la posizione della materia oscura, una sostanza invisibile e misteriosa che si ritiene costituisca l’85% di tutta la materia nell’universo. La materia oscura interagisce solo attraverso la gravità e influisce sulla formazione e sull’evoluzione delle galassie.
Studiando la rete cosmica, gli astronomi possono quindi indagare su diversi aspetti dell’universo, come:
- l’origine e l’evoluzione delle galassie. La rete cosmica è il luogo dove avviene la formazione delle galassie, grazie al flusso di gas che le alimenta e le fa crescere. Studiando il gas nella rete cosmica, gli astronomi possono capire come le galassie si sono formate, come si sono evolute nel tempo e come hanno interagito tra loro;
- la natura e la distribuzione della materia oscura. La rete cosmica è il luogo dove si manifestano gli effetti della materia oscura, una sostanza invisibile e misteriosa che si ritiene costituisca l’85% di tutta la materia nell’universo. Studiando la rete cosmica, gli astronomi possono capire come la materia oscura si distribuisce nello spazio e come influenza la struttura a grande scala dell’universo;
- la geometria e il destino dell’universo. La rete cosmica è il luogo dove si riflette la geometria dell’universo, ovvero la sua forma e la sua curvatura. Studiando la rete cosmica, gli astronomi possono capire se l’universo è piatto, sferico o iperbolico e quali sono le sue proprietà fisiche, come la densità, l’energia e il tasso di espansione.
La rete cosmica è quindi una struttura fondamentale per capire l’origine e il destino dell’universo e delle galassie. Tuttavia, la sua osservazione è molto difficile, perché il gas che la compone emette una radiazione molto debole e perché la rete cosmica è molto distante da noi. Per questo motivo, gli astronomi usano diverse tecniche per rivelarla, come l’uso dei quasar come sorgenti di retroilluminazione, o l’uso di strumenti sensibili alla linea Lyman alfa dell’idrogeno.
Quali sono le ultime scoperte sulla rete cosmica?
Le ultime scoperte sulla rete cosmica sono state possibili grazie a un nuovo strumento installato sull’Osservatorio WM Keck alle Hawaii, il Keck Cosmic Web Imager, o KCWI. Il KCWI è in grado di vedere per la prima volta la rete cosmica senza bisogno di quasar, rivelando nuovi dettagli sulla sua forma e composizione.
Il KCWI ha permesso agli astronomi di creare una mappa tridimensionale della rete cosmica in una regione del cielo chiamata SSA22 Field. Questa regione contiene diverse galassie attive nella formazione stellare e nella produzione di radiazione ultravioletta, la eccita il gas idrogeno nella rete cosmica e lo fa brillare alla lunghezza d’onda della linea Lyman alfa.
Analizzando le diverse emissioni Lyman alfa a diverse lunghezze d’onda, il team di Martin ha potuto ricostruire la forma tridimensionale della rete in questa regione e misurare le sue proprietà fisiche, come la densità, la temperatura e il moto del gas idrogeno.
Il team ha scoperto che la rete cosmica in questa regione ha una struttura complessa e dinamica, con filamenti che si estendono per milioni di anni luce e che si intersecano in nodi dove si trovano gli ammassi di galassie, inoltre il team ha anche scoperto che il gas idrogeno nella rete cosmica ha una temperatura di circa 10.000 gradi Kelvin e una velocità di circa 300 chilometri al secondo.
Queste scoperte sono importanti perché mostrano come la rete cosmica sia il luogo dove avviene la formazione e l’evoluzione delle galassie, grazie al flusso di gas che le alimenta e le fa interagire tra loro, inoltre mostrano come sia il luogo dove si manifestano gli effetti della materia oscura, che determina la distribuzione della materia ordinaria lungo tutta essa.
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