I telescopi Magellan dell'Osservatorio Las Campanas di Carnegie in Cile, che sono stati cruciali per la capacità di condurre questa indagine. Credito:Yuri Beletsky, la Carnegie Institution for Science.
L'universo è pieno di miliardi di galassie, ma la loro distribuzione nello spazio è tutt'altro che uniforme. Perché oggi vediamo così tanta struttura nell'universo e come si è formata e cresciuta?
Un'indagine di 10 anni su decine di migliaia di galassie realizzata utilizzando il Magellan Baade Telescope presso l'Osservatorio Las Campanas di Carnegie in Cile ha fornito un nuovo approccio per rispondere a questo mistero fondamentale. I risultati, guidato da Daniel Kelson di Carnegie, sono pubblicati in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
"Come descriveresti l'indescrivibile?" chiede Kelson. "Adottando un approccio completamente nuovo al problema".
"La nostra tattica fornisce nuove e intuitive intuizioni su come la gravità ha guidato la crescita della struttura fin dai primi tempi dell'universo, " ha detto il co-autore Andrew Benson. "Questo è un diretto, test basato sull'osservazione di uno dei pilastri della cosmologia."
Il Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey è stato progettato per studiare la relazione tra la crescita delle galassie e l'ambiente circostante negli ultimi 9 miliardi di anni, quando furono definite le apparizioni delle galassie moderne.
Le prime galassie si sono formate poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, che ha iniziato l'universo come un caldo, zuppa torbida di particelle estremamente energetiche. Poiché questo materiale si è espanso verso l'esterno dall'esplosione iniziale, si è raffreddato, e le particelle si fusero in gas idrogeno neutro. Alcune macchie erano più dense di altre e, infine, la loro gravità ha superato la traiettoria esterna dell'universo e il materiale è collassato verso l'interno, formando i primi grumi di struttura nel cosmo.
Le differenze di densità che hanno permesso la formazione di strutture sia grandi che piccole in alcuni luoghi e non in altri sono stati un argomento di fascino di lunga data. Ma fino ad ora, le capacità degli astronomi di modellare il modo in cui la struttura è cresciuta nell'universo negli ultimi 13 miliardi di anni hanno dovuto affrontare limiti matematici.
"Le interazioni gravitazionali che si verificano tra tutte le particelle dell'universo sono troppo complesse per essere spiegate con semplici calcoli matematici, " ha detto Benson.
Così, gli astronomi hanno usato approssimazioni matematiche, che hanno compromesso l'accuratezza dei loro modelli, o grandi simulazioni al computer che modellano numericamente tutte le interazioni tra le galassie, ma non tutte le interazioni che si verificano tra tutte le particelle, che era considerato troppo complicato.
La prima struttura dell'universo ha avuto origine quando parte del materiale lanciato verso l'esterno dal Big Bang ha superato la sua traiettoria ed è crollato su se stesso, formare grumi. Un team di ricercatori della Carnegie ha dimostrato che gli ammassi di materia più densi crescono più velocemente, e i cespi meno densi crescevano più lentamente. I dati del gruppo hanno rivelato la distribuzione della densità nell'universo negli ultimi 9 miliardi di anni. (Sull'illustrazione, il viola rappresenta le regioni a bassa densità e il rosso rappresenta le regioni ad alta densità.) Lavorando a ritroso nel tempo, i loro risultati rivelano le fluttuazioni di densità (estrema destra, in viola e blu) che ha creato la prima struttura dell'universo. Questo si allinea con ciò che sappiamo sull'antico universo dal bagliore del Big Bang, chiamato Cosmic Microwave Background (all'estrema destra in giallo e verde). I ricercatori hanno ottenuto i loro risultati rilevando le distanze e le masse di quasi 100, 000 galassie, risalendo a un'epoca in cui l'universo aveva solo 4,5 miliardi di anni. Circa 35, 000 delle galassie studiate dal Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey sono qui rappresentate come piccole sfere. Credito:Daniel Kelson. I dati CMB si basano su osservazioni ottenute con Planck, una missione scientifica dell'ESA con strumenti e contributi finanziati direttamente dagli Stati membri dell'ESA, NASA, e Canada.
"Un obiettivo chiave della nostra indagine era contare la massa presente nelle stelle trovate in un'enorme selezione di galassie lontane e quindi utilizzare queste informazioni per formulare un nuovo approccio per comprendere come si è formata la struttura nell'universo, " ha spiegato Kelson.
Il gruppo di ricerca, che comprendeva anche Louis Abramson di Carnegie, Shannon Patel, Stephen Shectman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, e John S. Mulchaey, così come Rik Williams, ora di Uber Technologies, ha dimostrato per la prima volta che la crescita delle singole proto-strutture può essere calcolata e quindi mediata su tutto lo spazio.
Ciò ha rivelato che i ciuffi più densi sono cresciuti più velocemente, e i cespi meno densi crescevano più lentamente.
Sono stati quindi in grado di lavorare a ritroso e determinare le distribuzioni originali e i tassi di crescita delle fluttuazioni di densità, che alla fine sarebbero diventate le strutture su larga scala che hanno determinato le distribuzioni delle galassie che vediamo oggi.
In sostanza, il loro lavoro ha fornito un semplice, eppure preciso, descrizione del perché e come le fluttuazioni di densità crescono come fanno nell'universo reale, così come nel lavoro basato sul calcolo che è alla base della nostra comprensione dell'infanzia dell'universo.
"Ed è così semplice, con una vera eleganza, "aggiunse Kelson.
I risultati non sarebbero stati possibili senza l'assegnazione di un numero straordinario di notti osservative a Las Campanas.
"Molte istituzioni non avrebbero avuto la capacità di affrontare da sole un progetto di questa portata, ", ha affermato il direttore degli osservatori John Mulchaey. "Ma grazie ai nostri telescopi Magellan, siamo stati in grado di eseguire questo sondaggio e creare questo nuovo approccio per rispondere a una domanda classica".
"Anche se non c'è dubbio che questo progetto ha richiesto le risorse di un'istituzione come Carnegie, il nostro lavoro inoltre non sarebbe potuto avvenire senza l'enorme numero di immagini a infrarossi aggiuntive che siamo stati in grado di ottenere a Kit Peak e Cerro Tololo, che fanno entrambi parte del National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory della NSF, "Ha aggiunto Kelson.
