• Con il radiointerferometro ALMA i ricercatori hanno studiato il protoammasso Spiderweb, un ammasso di galassie in formazione nell’Universo primordiale.
• I risultati ALMA mostrano per la prima volta la presenza di un serbatoio di gas caldo, messo in evidenza dall’effetto Sunyaev-Zeldovich.
• Il gas caldo suggerisce che il protoammasso sarà in grado di trasformarsi in un enorme ammasso di galassie in circa 10 miliardi di anni.

Utilizzando il radiointerferometro ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), un team di ricerca ha scoperto un grande serbatoio di gas caldo nell’ammasso di galassie in formazione attorno alla galassia Spiderweb, formalmente nota come MRC 1138-262. Esso è testimone della crescita dell’ammasso e racconta la storia della sua formazione.

Gli ammassi galattici contengono fino a migliaia di galassie, separate dal mezzo intracluster (IntraCluster Medium), composto principalmente di gas. Anche se gran parte della fisica degli ammassi galattici è ben compresa, le osservazioni delle prime fasi di formazione dell’ICM sono ancora scarse.

Questo risultato rivela quanto presto queste strutture inizino a formarsi. I risultati infatti mostrano che il protoammasso Spiderweb dovrebbe trasformarsi in un enorme ammasso di galassie in circa 10 miliardi di anni, aumentando la sua massa attuale almeno di un fattore dieci.

Un ammasso in formazione nell’Universo primordiale

In passato, gli scienziati avevano studiato il gas intracluster (ICM) solo in ammassi di galassie completamente formati e vicini a noi. Rilevare l’ICM in protoammassi, ovvero in ammassi di galassie ancora in formazione, e distanti potrebbe permettere di osservare queste strutture nelle loro primissime fasi di formazione.

Il team, guidato da Luca Di Mascolo dell’Università di Trieste, ha voluto individuare l’ICM in un protoammasso dell’Universo primordiale. Le simulazioni cosmologiche avevano previsto la presenza di gas caldo nei protoammassi da oltre un decennio, ma mancavano conferme osservative, ed era a queste che Di Mascolo voleva giungere.

Ecco perché ha scelto il protoammasso Spiderweb, situato in un’epoca in cui l’Universo aveva solo 3 miliardi di anni. Nonostante fosse già stato ripetutamente studiato, infatti, l’ICM in esso presente, che supera in massa le galassie di cui l’ammasso neonato è composto, è rimasto inesplorato. Rimaneva quindi il dubbio: il protoammasso Spiderweb sarebbe riuscito a diventare un ammasso vero e proprio, o avrebbe finito per disperdersi?

Il serbatoio di gas caldo: la scoperta e le implicazioni

Il gruppo guidato da Di Mascolo è riuscito a rilevare l’ICM del protoammasso Spiderweb attraverso il cosiddetto effetto termico Sunyaev-Zeldovich (o effetto SZ). Questo effetto si verifica quando la luce del fondo cosmico a microonde (il CMB, Cosmic Microwave Background, bagliore residuo del Big Bang) passa attraverso l’ICM.

Quando la luce del CMB interagisce con gli elettroni in rapido movimento nel gas caldo, guadagna un po’ di energia e il suo colore, o lunghezza d’onda, cambia leggermente. Alle giuste lunghezze d’onda, l’effetto SZ appare come l’ombra dell’ammasso di galassie sul fondo cosmico.

ALMA è attualmente l’unica struttura in grado di eseguire per ammassi distanti una misura di quest'”ombra”, che permette di dedurre l’esistenza di gas caldo. E proprio grazie al radiointerferometro, Di Mascolo e colleghi hanno determinato che il protoammasso Spiderweb contiene un vasto serbatoio di gas caldo a una temperatura di poche decine di milioni di gradi Celsius.

In precedenza, era stato trovato gas freddo in questo protoammasso, ma la massa del gas caldo di questo nuovo studio lo supera di migliaia di volte, e conferma che esso dovrebbe effettivamente trasformarsi in un enorme ammasso di galassie in 10 miliardi di anni.

Segue un’animazione che mostra come i fotoni di luce interagiscono con il gas caldo nel protoammasso Spiderweb. I fotoni sono raffigurati come strisce di luce giallo-rossa che attraversano lo spazio in direzioni casuali. La distribuzione misurata del gas caldo viene mostrata alla fine dell’animazione come una nuvola blu sovrapposta al campo di galassie sullo sfondo. Credits: ESO/L. Calçada; Di Mascolo et al.; HST: H. Ford

Il futuro con ELT

La transizione a cui gli scienziati hanno assistito, osservando il protoammasso Spiderweb con ALMA, è molto delicata, perché implica che il gas caldo sarà rimescolato e distruggerà gran parte del mezzo intracluster freddo. Tuttavia, le osservazioni sono la conferma sperimentale a previsioni teoriche di lunga data sulla formazione degli ammassi di galassie, i più grandi oggetti dell’Universo che si auto-sostengono per legami gravitazionali.

I risultati ottenuti con ALMA permettono di gettare le basi per ricerche future con l’Extremely Large Telescope (ELT) dell’ESO, il più grande telescopio ottico al mondo, attualmente in costruzione.

L’ELT e i suoi strumenti all’avanguardia, come l’High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field spectrograph (HARMONI) e la Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations (MICADO), riusciranno a osservare e studiare l’ICM di molti più ammassi, oltre che le galassie in essi contenuti in maniera molto dettagliata. Spingendosi fino alle luci delle vaste strutture cosmiche già esistenti nell’Universo primordiale.

L’articolo scientifico è scaricabile qui.