La scoperta di inaspettate galassie ultramassive potrebbe non riscrivere la cosmologia, ma continua comunque a porsi domande.

13 febbraio 2024

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di Emily Howard, University of Texas at Austin

Dal momento in cui il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha catturato il suo primo sguardo all'universo primordiale, gli astronomi si sono sorpresi della presenza di ciò che sembrano essere più galassie 'ultramassive' del previsto. Sulla base del modello cosmologico più ampiamente accettato, non avrebbero dovuto essere in grado di evolversi fino a molto più tardi nella storia dell'universo, sollevando l'affermazione che il modello deve essere modificato.

Questo metterebbe in discussione decenni di scienza stabilita.

"Lo sviluppo degli oggetti nell'universo è gerarchico. Si parte dal piccolo e si diventa sempre più grandi", ha detto Julian Muñoz, professore associato di astronomia presso l'Università del Texas ad Austin e coautore di un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters che testa le modifiche al modello cosmologico. Lo studio conclude che non è necessario rivedere il modello cosmologico standard. Tuttavia, gli astronomi potrebbero dover rivalutare ciò che capiscono su come si sono formate ed evolute le prime galassie.

La cosmologia studia l'origine, l'evoluzione e la struttura del nostro universo, dal Big Bang ai giorni nostri. Il modello cosmologico più ampiamente accettato è chiamato modello della materia oscura fredda Lambda (ΛCDM) o "modello cosmologico standard". Sebbene il modello sia molto informato, gran parte dell'universo primordiale è rimasto teorico perché gli astronomi non hanno potuto osservarlo completamente, se mai.

Lanciato nel 1990, il telescopio spaziale Hubble ha avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo e nel perfezionamento del modello cosmologico standard. Osserva l'universo in lunghezze d'onda ultraviolette, visibili e alcune infrarosse vicine alla luce. Tuttavia, questo lo rende più adatto a vedere alcune cose rispetto ad altre. Ad esempio, Hubble è ben equipaggiato per osservare galassie più piccole che spesso contengono popolazioni più numerose di stelle giovani che emettono raggi ultravioletti e meno polveri che tendono ad assorbire lunghezze d'onda più corte.

Lanciato alla fine del 2021, il JWST fornisce un importante complemento alle capacità di Hubble. Osservando le lunghezze d'onda nell'infrarosso vicino e medio, il JWST può rilevare oggetti invisibili a Hubble.

"Stiamo aprendo una finestra sull'ignoto", ha detto Muñoz. "Ora siamo in grado di testare le nostre teorie sull'universo in luoghi in cui non eravamo in grado di farlo prima".

Poco dopo il Big Bang, le cose non erano perfettamente uniformi. Piccole variazioni di densità hanno avuto un impatto decisivo sulla struttura futura e sull'evoluzione dell'universo. Le regioni con una densità maggiore hanno attratto più materia a causa della gravità, portando alla formazione di strutture sempre più grandi.

Per diventare così grandi così rapidamente, le galassie ultramassive osservate da JWST sarebbero in teoria possibili solo se fossero sviluppate più di queste regioni di maggiore densità subito dopo il Big Bang. Ciò richiederebbe una modifica del modello cosmologico standard.

Muñoz e il suo team hanno testato questa ipotesi.

Hanno selezionato un intervallo di tempo cosmico per il quale sono disponibili osservazioni sia di JWST che di Hubble. All'interno di questo intervallo, hanno identificato le galassie più massive disponibili nei dati di JWST e calcolato la quantità di cambiamento alla densità primordiale dell'universo necessaria affinché si formino.

Hanno anche calcolato quante galassie più piccole risultano da questa modifica ipotetica. Queste galassie più piccole aggiuntive sarebbero state osservate da Hubble.

"Ma non è ciò che vediamo", ha spiegato Muñoz. "Non puoi modificare abbastanza la cosmologia per spiegare questo problema di abbondanza, considerando che le osservazioni di Hubble sarebbero state influenzate anche loro".

Allora, perché il JWST sta trovando così tante galassie ultramassive? Una possibilità è che contengano buchi neri supermassicci. Questi buchi neri riscalderebbero il gas circostante, facendo apparire le galassie più luminose e quindi più massive di quanto siano in realtà. Oppure le galassie potrebbero non trovarsi effettivamente nell'universo primordiale, ma sembrano esserci perché la polvere fa apparire il loro colore più rosso di quanto sarebbe altrimenti. Questo spostamento farebbe apparire le galassie più lontane di quanto non siano.

Oltre a Muñoz, gli autori dello studio sono Nashwan Sabti e Marc Kamionkowski della Johns Hopkins University.

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters, arXiv

Provided by University of Texas at Austin