Scansionando il cielo alla ricerca di sorgenti di raggi X, L'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'ESA è stato impegnato con l'indagine XXL, il suo più grande programma di osservazione fino ad oggi. La seconda serie di dati del sondaggio è stata appena pubblicata, comprese informazioni su 365 ammassi di galassie, che tracciano la struttura su larga scala dell'Universo e la sua evoluzione nel tempo, e su 26 000 nuclei galattici attivi (AGN).

Esaminando due vaste regioni del cielo con grande sensibilità, questa è la prima indagine a raggi X per rilevare un numero sufficiente di ammassi di galassie e AGN in volumi contigui di spazio per consentire agli scienziati di mappare la distribuzione di questi oggetti nell'Universo distante con dettagli senza precedenti. I risultati sono compatibili con le aspettative del modello cosmologico attualmente accettato.

I raggi X sono prodotti in alcuni dei processi più energetici dell'Universo, ma poiché sono bloccati dall'atmosfera terrestre, possono essere osservati solo dallo spazio. Quando i telescopi a raggi X osservano l'Universo extragalattico, vedono fondamentalmente due fonti:il gas caldo che pervade gli ammassi di galassie, e Nuclei Galattici Attivi (AGN) – luminosi, regioni compatte al centro di alcune galassie dove un buco nero supermassiccio sta accrescendo la materia circostante.

L'XMM-Newton dell'ESA è uno dei telescopi a raggi X più potenti mai messi in orbita. Negli ultimi otto anni, ha trascorso 2000 ore a misurare le radiazioni dei raggi X nell'ambito dell'indagine XXL, che ha cercato ammassi di galassie e AGN scansionando due aree di cielo apparentemente vuoto che misuravano ciascuna 25 gradi quadrati (come riferimento, la luna piena misura circa mezzo grado di diametro).

La prima serie di dati XXL è stata rilasciata nel 2015; includeva 100 degli ammassi di galassie più brillanti e 1000 AGN. Questo mese, è stato pubblicato un nuovo catalogo di dati contenente ben 365 cluster e 26.000 AGN. I primi risultati che utilizzano questi dati sono pubblicati in un numero speciale di Astronomia e astrofisica .

L'indagine ha mappato ammassi di raggi X così distanti che la luce li ha lasciati quando l'Universo aveva solo la metà della sua età attuale, e AGN che sono ancora più lontani. Alcune delle sorgenti osservate sono così lontane che XMM-Newton ha ricevuto da esse non più di 50 fotoni di raggi X, rendendo difficile stabilire se si tratta di cluster o AGN.

"È stato relativamente facile trovare ammassi di galassie e AGN, perché sono gli unici oggetti extragalattici visibili alla luce dei raggi X, " spiega Marguerite Pierre di CEA Saclay, Francia.

"Ma abbiamo dovuto usare diversi altri telescopi che raccolgono luce a molte lunghezze d'onda diverse, così come ampie strutture informatiche, per raccogliere maggiori informazioni su ciascuna fonte, compreso il fissare la loro natura e distanza."

La materia nell'Universo non è distribuita uniformemente ma forma una rete cosmica di filamenti modellati dalla gravità, con ammassi di galassie trovati alle loro intersezioni. Gli ammassi di galassie sono le più grandi entità legate nell'Universo:tracciano i picchi di densità più alta nella sua struttura su larga scala, rendendoli un potente strumento per rispondere a domande sulla cosmologia.

La struttura e l'evoluzione dell'Universo sono descritte da un insieme di parametri cosmologici, che includono la densità dei suoi vari componenti e la velocità con cui si sta espandendo. Attualmente, conosciamo abbastanza bene il valore di molti di questi parametri, ma sono necessari grandi campioni di traccianti cosmici a una varietà di distanze per descrivere più accuratamente la struttura sottostante dell'Universo. L'obiettivo finale dell'indagine XXL è fornire un'ampia, catalogo ben caratterizzato di ammassi che possono essere utilizzati per vincolare i parametri cosmologici.

Il satellite Planck dell'ESA ha determinato i valori per i parametri cosmologici studiando il fondo cosmico a microonde, che sono informazioni dall'Universo primordiale. Dopo aver stimato questi parametri utilizzando gli ultimi dati dell'indagine XXL, che si basa su informazioni provenienti dall'Universo più recente, gli scienziati hanno confrontato le loro scoperte con i valori di Planck.

"Anche se non abbiamo trovato tanti ammassi di galassie come previsto dal modello cosmologico di Planck, abbiamo ottenuto una distribuzione di cluster e AGN compatibile con il modello cosmologico attualmente preferito, che ricorre alla costante cosmologica di Einstein come spiegazione per l'espansione accelerata dell'Universo, piuttosto che invocare possibilità ancora più esotiche, " spiega Marguerite Pierre.

"Possiamo già migliorare la stima di Planck per la costante cosmologica, anche se la nostra analisi è stata effettuata solo su metà del campione a grappolo XXL; passeremo i prossimi due anni ad analizzare il resto dei dati con l'obiettivo di affinare i vincoli cosmologici".

È più difficile stimare i valori per i parametri cosmologici utilizzando AGN, poiché le loro proprietà sono influenzate da molte influenze esterne. Gli scienziati hanno invece utilizzato i dati AGN dell'indagine XXL per comprendere meglio come si formano ed evolvono i buchi neri.

Grazie a XXL, questa è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di misurare l'effetto di raggruppamento tridimensionale di ammassi di raggi X distanti e AGN su scale molto grandi. Ora possono finalmente vedere dove si trovano gli AGN all'interno della struttura su larga scala dell'Universo indicata dagli ammassi di galassie.

I risultati confermano che XMM-Newton è una potente macchina per rilievi. Inoltre aprono la strada all'analisi cosmologica finale di questa indagine, che fornirà vincoli indipendenti sui parametri cosmologici per svelare più misteri dell'Universo.

La rete cosmica sarà sondata ulteriormente dal futuro satellite Euclid dell'ESA, che osserverà la luce emessa fino a 10 miliardi di anni fa. Euclide vedrà un numero enorme di fonti, poiché rileverà la luce ottica e infrarossa; con la sua ampia area rilevata e la ricca copertura multi-lunghezza d'onda, i dati XXL serviranno come riferimento per queste osservazioni.

Le osservazioni di XMM-Newton hanno anche sollevato nuove domande sulla fisica degli ammassi di galassie, che sarà indagato più in dettaglio dalla prossima missione a raggi X dell'ESA, Atena. A causa del lancio nel 2031, Athena sarà molto più sensibile del suo predecessore. Mentre XMM-Newton può osservare ammassi a una varietà di distanze da noi, sondare epoche diverse nella storia dell'Universo, Atena osserverà grappoli così distanti che la loro luce li lasciò mentre si formavano, raccontandoci ancora di più sul modo in cui queste gigantesche strutture prendono forma ed evolvono.

Intanto, gli scienziati nel piano di collaborazione XXL per elaborare le osservazioni rimanenti e rivedere i dati utilizzando tecniche di elaborazione migliorate. La versione finale dei dati XXL contenente ancora più sorgenti di raggi X, così come l'analisi cosmologica completa, è previsto per il 2021.

"È molto eccitante che i dati di questo telescopio spaziale contribuiscano alla nostra comprensione dell'evoluzione dell'Universo, " conclude Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist presso l'ESA. "Ciò è stato reso possibile grazie alla collaborazione tra un numero enorme di istituzioni in molti paesi diversi".