Questa immagine simulata al computer mostra un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. La regione nera al centro rappresenta l'orizzonte degli eventi del buco nero, dove nessuna luce può sfuggire alla presa gravitazionale dell'oggetto massiccio. La potente gravità del buco nero distorce lo spazio intorno ad esso come uno specchio da luna park. La luce delle stelle sullo sfondo viene allungata e imbrattata mentre le stelle sfiorano il buco nero. Credito:NASA, ESA, e D. Coe, J. Anderson, e R. van der Marel (STScI)
Il Big Bang ha catturato la nostra immaginazione come nessun'altra teoria scientifica:il magnifico, nascita esplosiva del nostro Universo. Ma sai cosa è successo dopo?
Circa 100 milioni di anni di oscurità.
Quando il cosmo alla fine illuminò le sue primissime stelle, erano più grandi e più luminosi di tutti quelli che sono seguiti. Brillavano di luce UV così intensa, trasformava gli atomi circostanti in ioni. L'alba cosmica:dalla prima stella al completamento di questa "reionizzazione cosmica", durò circa un miliardo di anni.
"Da dove vengono queste stelle? E come sono diventate le galassie - l'Universo brulicante di radiazioni e plasma - che vediamo oggi? Queste sono le nostre domande guida, "dice il professor Michael Norman, Direttore del San Diego Supercomputer Center e autore principale di una nuova recensione pubblicata su Frontiere nell'astronomia e nelle scienze spaziali .
L'universo in una scatola
Ricercatori come il professor Norman risolvono equazioni matematiche in un universo virtuale cubico.
"Abbiamo trascorso oltre 20 anni utilizzando e perfezionando questo software, per capire meglio l'Alba Cosmica."
Iniziare, è stato creato un codice che ha permesso di modellare la formazione delle prime stelle nell'universo. Queste equazioni descrivono il movimento e le reazioni chimiche all'interno delle nuvole di gas in un universo prima della luce, e l'immensa attrazione gravitazionale di una massa molto più grande ma invisibile di misteriosa materia oscura.
"Queste nubi di idrogeno puro ed elio sono collassate sotto la gravità per accendersi singole, stelle massicce, centinaia di volte più pesanti del nostro Sole, " spiega Normanno.
I primissimi elementi pesanti si sono formati nei nuclei delle pentole a pressione delle prime stelle:solo un pizzico di litio e berillio. Ma con la morte di questi giganti di breve durata, che crollano ed esplodono in abbaglianti supernovae, i metalli pesanti come il ferro sono stati creati in abbondanza e sono stati spruzzati nello spazio.
Sono state aggiunte equazioni all'universo virtuale per modellare l'arricchimento delle nubi di gas con questi metalli di nuova formazione, che ha guidato la formazione di un nuovo tipo di stella.
"La transizione è stata rapida:entro 30 milioni di anni, praticamente tutte le nuove stelle erano arricchite di metallo."
Questo nonostante il fatto che l'arricchimento chimico fosse locale e lento, lasciando oltre l'80% dell'universo virtuale privo di metalli entro la fine della simulazione.
"La formazione di stelle giganti prive di metalli non si è fermata del tutto:dovrebbero esistere piccole galassie di queste stelle dove c'è abbastanza materia oscura per raffreddare le nubi incontaminate di idrogeno ed elio.
"Ma senza questa enorme attrazione gravitazionale, l'intensa radiazione delle stelle esistenti riscalda le nubi di gas e fa a pezzi le loro molecole. Quindi nella maggior parte dei casi, il gas privo di metalli collassa completamente per formare un unico, buco nero supermassiccio."
Dalle stelle alle galassie
"Le nuove generazioni di stelle che si sono formate nelle galassie sono più piccole e molto più numerose, a causa delle reazioni chimiche rese possibili con i metalli, " Osserva Norman.
L'aumento del numero di reazioni nelle nubi di gas ha permesso loro di frammentarsi e formare più stelle tramite il "raffreddamento della linea metallica":tratti di ridotta densità di gas, dove gli elementi combinati ottengono spazio per irradiare la loro energia nello spazio, anziché l'uno nell'altro.
A questo punto abbiamo i primi oggetti nell'universo che possono essere giustamente chiamati galassie:una combinazione di materia oscura, gas arricchito di metalli, e stelle.
"Le prime galassie sono più piccole del previsto perché intense radiazioni provenienti da giovani, stelle massicce allontanano il gas denso dalle regioni di formazione stellare.
"A sua volta, le radiazioni delle galassie più piccole hanno contribuito in modo significativo alla reionizzazione cosmica".
Queste galassie, difficili da individuare ma numerose, possono quindi spiegare la data di fine prevista dell'Aurora Cosmica, cioè, quando la reionizzazione cosmica era completa.
pensare fuori dagli schemi
Norman e colleghi spiegano come alcuni gruppi stanno superando i limiti di calcolo in queste simulazioni numeriche importando i loro risultati già pronti, oppure semplificando parti di un modello meno rilevanti per i risultati di interesse.
"Questi metodi semi-analitici sono stati utilizzati per determinare in modo più accurato per quanto tempo venivano create le prime stelle massicce prive di metalli, quanti dovrebbero essere ancora osservabili, e il contributo di questi, così come dei buchi neri e delle stelle arricchite di metalli, alla reionizzazione cosmica".
Gli autori evidenziano anche aree di incertezza che guideranno una nuova generazione di simulazioni, utilizzando nuovi codici, sulle future piattaforme di calcolo ad alte prestazioni.
"Questi ci aiuteranno a capire il ruolo dei campi magnetici, Raggi X e polvere spaziale nel raffreddamento a gas, e l'identità e il comportamento della misteriosa materia oscura che guida la formazione delle stelle".
