Indagando sulla storia del nostro cosmo con un ampio campione di lontane galassie "attive" osservate dall'XMM-Newton dell'ESA, un team di astronomi ha scoperto che potrebbe esserci di più nella prima espansione dell'universo rispetto a quanto previsto dal modello standard della cosmologia.

Secondo lo scenario principale, il nostro universo contiene solo una piccola percentuale di materia ordinaria. Un quarto del cosmo è costituito dalla sfuggente materia oscura, che possiamo sentire gravitazionalmente ma non osservare, e il resto consiste nell'ancora più misteriosa energia oscura che sta guidando l'attuale accelerazione dell'espansione dell'universo.

Questo modello si basa su una moltitudine di dati raccolti negli ultimi due decenni, dal fondo cosmico a microonde, o CMB – la prima luce nella storia del cosmo, rilasciato solo 380, 000 anni dopo il big bang e osservato con un dettaglio senza precedenti dalla missione Planck dell'ESA, fino a osservazioni più "locali". Questi ultimi includono esplosioni di supernova, ammassi di galassie e la distorsione gravitazionale impressa dalla materia oscura su galassie lontane, e può essere usato per tracciare l'espansione cosmica nelle recenti epoche della storia cosmica, negli ultimi nove miliardi di anni.

Un nuovo studio, guidato da Guido Risaliti dell'Università di Firenze, Italia, ed Elisabeta Lusso della Durham University, UK, indica un altro tipo di tracciante cosmico - i quasar - che colmerebbe parte del divario tra queste osservazioni, misurare l'espansione dell'universo fino a 12 miliardi di anni fa.

I quasar sono i nuclei delle galassie in cui un buco nero supermassiccio attivo sta estraendo materia dall'ambiente circostante a velocità molto intense, risplende brillantemente attraverso lo spettro elettromagnetico. Quando il materiale cade sul buco nero, forma un disco vorticoso che irradia luce visibile e ultravioletta; questa luce, a sua volta, riscalda gli elettroni vicini, generazione di raggi X.

Tre anni fa, Guido ed Elisabeta si resero conto che una ben nota relazione tra la luminosità dell'ultravioletto e dei raggi X dei quasar poteva essere utilizzata per stimare la distanza da queste sorgenti - cosa notoriamente complicata in astronomia - e, in definitiva, per sondare la storia di espansione dell'universo.

Le sorgenti astronomiche le cui proprietà ci permettono di misurare le loro distanze sono chiamate "candele standard".

La classe più notevole, nota come supernova di "tipo Ia", consiste nella spettacolare scomparsa delle nane bianche dopo che si sono riempite eccessivamente di materiale proveniente da una stella compagna, generando esplosioni di prevedibile luminosità che consentono agli astronomi di individuare la distanza. Le osservazioni di queste supernove alla fine degli anni '90 hanno rivelato l'espansione accelerata dell'universo negli ultimi miliardi di anni.

"Utilizzare i quasar come candele standard ha un grande potenziale, poiché possiamo osservarle a distanze molto maggiori da noi rispetto alle supernove di tipo Ia, e quindi usarli per sondare epoche molto precedenti nella storia del cosmo, " spiega Elisabetta.

Con un considerevole campione di quasar a portata di mano, gli astronomi hanno ora messo in pratica il loro metodo, e i risultati sono intriganti.

Scavando nell'archivio XMM-Newton, hanno raccolto dati a raggi X per oltre 7000 quasar, combinandoli con le osservazioni ultraviolette della Sloan Digital Sky Survey a terra. Hanno anche usato un nuovo set di dati, ottenuto appositamente con XMM-Newton nel 2017 per osservare quasar molto distanti, osservandoli com'erano quando l'universo aveva solo circa due miliardi di anni. Finalmente, hanno integrato i dati con un piccolo numero di quasar ancora più distanti e con alcuni relativamente vicini, osservato con gli osservatori a raggi X Chandra e Swift della NASA, rispettivamente.

"Un campione così ampio ci ha permesso di esaminare la relazione tra i raggi X e l'emissione ultravioletta dei quasar nei minimi dettagli, che ha molto affinato la nostra tecnica per stimare la loro distanza, "dice Guido.

Le nuove osservazioni XMM-Newton di quasar distanti sono così buone che il team ha persino identificato due gruppi diversi:il 70 percento delle sorgenti brillano brillantemente nei raggi X a bassa energia, mentre il restante 30 percento emette quantità inferiori di raggi X che sono caratterizzati da energie più elevate. Per l'ulteriore analisi, hanno mantenuto solo il precedente gruppo di fonti, in cui appare più chiara la relazione tra raggi X ed emissione ultravioletta.

"È davvero notevole che possiamo discernere un tale livello di dettaglio in fonti così lontane da noi che la loro luce ha viaggiato per più di dieci miliardi di anni prima di raggiungerci, "dice Norbert Schartel, Scienziato del progetto XMM-Newton all'ESA.

Dopo aver scremato i dati e ridotto il campione a circa 1600 quasar, gli astronomi sono stati lasciati con le migliori osservazioni, portando a stime robuste della distanza da queste fonti che potrebbero utilizzare per studiare l'espansione dell'universo.

"Quando combiniamo il campione di quasar, che abbraccia quasi 12 miliardi di anni di storia cosmica, con il campione più locale di supernove di tipo Ia, coprendo solo gli ultimi otto miliardi di anni circa, troviamo risultati simili nelle epoche sovrapposte, "dice Elisabetta.

"Però, nelle fasi precedenti che possiamo sondare solo con i quasar, troviamo una discrepanza tra l'evoluzione osservata dell'universo e ciò che prevediamo in base al modello cosmologico standard".

Esaminando questo periodo della storia cosmica precedentemente poco esplorato con l'aiuto dei quasar, gli astronomi hanno rivelato una possibile tensione nel modello standard della cosmologia, che potrebbe richiedere l'aggiunta di parametri aggiuntivi per riconciliare i dati con la teoria.

"Una delle possibili soluzioni sarebbe invocare un'energia oscura in evoluzione, con una densità che aumenta col passare del tempo, "dice Guido.

per inciso, questo particolare modello allevierebbe anche un'altra tensione che ha tenuto occupati i cosmologi ultimamente, riguardo alla costante di Hubble - l'attuale tasso di espansione cosmica. Questa discrepanza è stata trovata tra le stime della costante di Hubble nell'universo locale, sulla base di dati di supernova – e, indipendentemente, sugli ammassi di galassie – e quelli basati sulle osservazioni di Planck del fondo cosmico a microonde nell'universo primordiale.

"Questo modello è piuttosto interessante perché potrebbe risolvere due enigmi contemporaneamente, ma la giuria non è ancora uscita e dovremo esaminare molti altri modelli in dettaglio prima di poter risolvere questo enigma cosmico, "aggiunge Guido.

Il team non vede l'ora di osservare ancora più quasar in futuro per perfezionare ulteriormente i risultati. Ulteriori indizi arriveranno anche dalla missione Euclid dell'ESA, programmato per un lancio nel 2022 per esplorare gli ultimi dieci miliardi di anni di espansione cosmica e indagare sulla natura dell'energia oscura.

"Questi sono tempi interessanti per indagare sulla storia del nostro universo, ed è entusiasmante che XMM-Newton possa contribuire guardando un'epoca cosmica che era rimasta in gran parte inesplorata finora, "conclude Norberto.