Svelando l'origine dell'Universo - I ricercatori analizzano più di un milione di galassie per fare luce su nuove scoperte.

I ricercatori hanno effettuato un esame approfondito di oltre un milione di galassie per approfondire le origini della composizione del cosmo, svelando disposizioni notevoli nelle forme delle galassie su enormi distanze. Questo studio, che ha utilizzato nuove strategie e aspetti corroborati della teoria dell’inflazione, rappresenta un passo sostanziale nella comprensione di come si è formato l’universo.

Un gruppo di scienziati ha analizzato meticolosamente oltre un milione di galassie, con l'obiettivo di svelare gli inizi delle moderne strutture cosmiche, secondo un articolo pubblicato di recente e presentato come suggerimento dell'editore in Physical Review D.

Finora, scrupolose indagini e valutazioni del fondo cosmico a microonde (CMB) e della struttura a larga scala (LSS) hanno portato alla creazione del modello standard dell’universo, comunemente noto come modello ΛCDM. All’interno di questo modello, la materia oscura fredda (CDM) e l’energia oscura (la costante cosmologica, Λ) sono attributi chiave.

Un'immagine derivata dall'osservazione della struttura su larga scala dell'universo mostra numerosi oggetti colorati dal giallo al rosso che rappresentano galassie a centinaia di milioni di anni luce dalla Terra. Queste galassie mostrano un’ampia varietà di attributi e sono troppo innumerevoli nell’immensità dello spazio per poter essere quantificate. Il modello e la disposizione spaziale di queste galassie non sono casuali, ma contengono invece “correlazioni” che derivano da attributi statistici delle fluttuazioni primordiali iniziali anticipate dall’inflazione.

Il modello presuppone che le fluttuazioni primordiali siano state create nelle prime fasi dell’universo e abbiano funzionato come catalizzatori, dando inizio alla creazione di tutto all’interno dell’universo, comprese le stelle, le galassie, gli ammassi di galassie e la loro dispersione spaziale nello spazio. Queste variazioni iniziano come minuscole ma si evolvono nel tempo a causa dell’attrazione gravitazionale, fino a creare una regione densa di materia oscura o un alone. Poi, questi aloni si sono scontrati e amalgamati continuamente, portando alla creazione di entità celesti come le galassie.

Le caratteristiche della disposizione spaziale delle galassie sono in gran parte modellate dalle proprietà delle fluttuazioni primarie originarie che ne hanno indotto la creazione. Pertanto, l'analisi statistica delle distribuzioni delle galassie è stata ampiamente utilizzata per ispezionare le fluttuazioni primitive sottostanti osservabili in natura. Inoltre, la configurazione spaziale delle forme galattiche che si estendono su vaste aree dell'universo rivela anche le caratteristiche delle fluttuazioni primarie intrinseche.

L'approccio convenzionale all'analisi della struttura su larga scala si è concentrato esclusivamente sulla dispersione spaziale delle galassie come punti. Più recentemente, tuttavia, la comunità scientifica ha iniziato a esplorare le forme delle galassie poiché non solo forniscono informazioni aggiuntive ma offrono anche una nuova prospettiva sugli attributi delle fluttuazioni primitive.

È stato visualizzato un esame di come le distinte fluttuazioni primordiali dell'universo contribuiscono alla diversa disposizione spaziale della materia oscura. La figura centrale mostra le fluttuazioni nella distribuzione gaussiana standard, con variazioni di colore che vanno dal blu al giallo che rappresentano il valore della fluttuazione in detta posizione, dalle aree a bassa ad alta densità. Altre figure mostrano lievi deviazioni dalla distribuzione gaussiana che vengono chiamate non gaussiane. Queste immagini dimostrano la non gaussianità isotropa e anisotropa e possono essere utilizzate nella ricerca della non gaussianità anisotropa dallo schema spaziale delle forme delle galassie.

Un gruppo di scienziati guidati dall'allora studente laureato Toshiki Kurita dell'Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell'universo (Kavli IPMU) (ora ricercatore post-dottorato presso l'Istituto Max Planck per l'astrofisica) e dal professor Masahiro Takada dell'IPMU Kavli hanno escogitato un metodo per quantificare lo spettro di potenza delle forme delle galassie. Questa strategia estrae dati statistici chiave dalle configurazioni della forma delle galassie integrando i dati spettroscopici della distribuzione spaziale delle galassie con i dati di imaging delle singole forme di galassie.

I ricercatori hanno analizzato simultaneamente la distribuzione spaziale e il modello di forma di circa un milione di galassie provenienti dallo Sloan Digital Sky Survey (SDSS), la più grande indagine sulle galassie oggi effettuata al mondo.

Di conseguenza, sono riusciti a limitare con successo le proprietà statistiche delle fluttuazioni primordiali che hanno dato origine alla formazione della struttura dell’intero universo.

I punti blu e le barre di errore sono i valori dello spettro di potenza della forma della galassia. L'asse verticale corrisponde alla forza della correlazione tra due forme di galassie, cioè l'allineamento degli orientamenti della forma della galassia. L'asse orizzontale rappresenta la distanza tra due galassie, mentre l'asse sinistro (destro) rappresenta la correlazione tra le galassie più distanti (vicine). I punti grigi indicano correlazioni apparenti non fisiche. Il fatto che questo valore sia zero entro l’errore, come previsto, conferma che i punti blu misurati sono effettivamente segnali di origine astrofisica. La curva nera è la curva teorica del modello inflazionistico più standard e si è rivelata in buon accordo con i dati effettivi. Credito: Kurita e Takada

Hanno trovato un allineamento statisticamente significativo degli orientamenti delle forme di due galassie distanti più di 100 milioni di anni luce. Il loro risultato ha mostrato che esistono correlazioni tra galassie distanti i cui processi di formazione sono apparentemente indipendenti e causalmente non correlati.

“In questa ricerca, siamo stati in grado di imporre vincoli sulle proprietà delle fluttuazioni primordiali attraverso l’analisi statistica delle “forme” di numerose galassie ottenute dai dati della struttura su larga scala. Ci sono pochi precedenti di ricerca che utilizza le forme delle galassie per esplorare la fisica dell'universo primordiale, e il processo di ricerca, dalla costruzione dell'idea e dallo sviluppo di metodi di analisi all'effettiva analisi dei dati, è stato una serie di tentativi ed errori. Per questo motivo ho dovuto affrontare molte sfide. Ma sono felice di essere riuscito a realizzarli durante il mio programma di dottorato. Credo che questo risultato sarà il primo passo per aprire un nuovo campo di ricerca della cosmologia utilizzando le forme delle galassie”, ha affermato Kurita.

Inoltre, un’indagine dettagliata di queste correlazioni ha confermato che sono coerenti con le correlazioni previste dall’inflazione e non mostrano una caratteristica non gaussiana della fluttuazione primordiale.

“Questa ricerca è il risultato della tesi di dottorato di Toshiki. È un meraviglioso risultato di ricerca in cui abbiamo sviluppato un metodo per convalidare un modello cosmologico utilizzando le forme e le distribuzioni delle galassie, lo abbiamo applicato ai dati e quindi abbiamo testato la fisica dell’inflazione. Era un argomento di ricerca che nessuno aveva mai fatto prima, ma ha fatto tutte e tre le fasi: teoria, misurazione e applicazione. Congratulazioni! Sono molto orgoglioso del fatto che siamo riusciti a realizzare tutti e tre i passaggi. Sfortunatamente, non ho fatto la grande scoperta di individuare una nuova fisica dell’inflazione, ma abbiamo tracciato un percorso per la ricerca futura. Possiamo aspettarci di aprire ulteriori aree di ricerca utilizzando lo spettrografo Subaru Prime Focus”, ha affermato Takada.

I metodi e i risultati di questo studio consentiranno ai ricercatori in futuro di testare ulteriormente la teoria dell’inflazione.