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Hubble: La “doppia” galassia lascia gli astronomi perplessi

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Questa istantanea del telescopio spaziale Hubble mostra tre immagini ingrandite di una galassia lontana incorporata in un ammasso di galassie. Queste immagini sono prodotte da un trucco della natura chiamato lente gravitazionale. L’immensa gravità dell’ammasso di galassie ingrandisce e distorce la luce della lontana galassia dietro di esso, creando le immagini multiple.

L’ammasso di galassie, catalogato come SDSS J223010.47-081017.8, si trova a 7 miliardi di anni luce dalla Terra. Hubble ha osservato molte galassie con lenti gravitazionali. Tuttavia, le immagini individuate in questa istantanea di Hubble sono uniche. Due delle immagini ingrandite, mostrate nell’elenco in basso a destra, sono copie esatte l’una dell’altra. I due ovali luminosi sono i nuclei della galassia. Questo raro fenomeno si verifica perché la galassia di sfondo si trova a cavallo di un’increspatura nel tessuto dello spazio.

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Questa “increspatura” è un’area di maggiore ingrandimento, causato dalla gravità di dense quantità di materia oscura, la colla invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell’universo. Mentre la luce della galassia lontana passa attraverso l’ammasso lungo questa increspatura, vengono prodotte due immagini speculari, insieme a una terza immagine che può essere vista di lato.

Un primo piano della terza immagine è mostrato nel pull-out in alto a destra. Questa immagine ricorda molto da vicino la galassia remota, che si trova a più di 11 miliardi di anni luce di distanza. Sulla base di una ricostruzione di questa immagine, i ricercatori hanno determinato che la galassia lontana appare come una spirale sbarrata di taglio con una formazione stellare continua e grumosa. Le immagini speculari sono chiamate “Oggetto di Hamilton” per l’astronomo che le ha scoperte. 

La gravità di Galaxy Cluster produce immagini speculari della lontana galassia dietro di essa

Guardare nell’universo è come guardare in uno specchio del luna park. Questo perché la gravità deforma il tessuto dello spazio, creando illusioni ottiche.

Molte di queste illusioni ottiche appaiono quando la luce di una galassia lontana viene ingrandita, allungata e illuminata mentre passa attraverso una galassia massiccia o un ammasso di galassie di fronte ad essa. Questo fenomeno, chiamato lente gravitazionale, produce immagini multiple, allungate e illuminate della galassia di sfondo.

Questo fenomeno consente agli astronomi di studiare galassie così distanti da non poter essere viste se non per gli effetti della lente gravitazionale. La sfida sta nel cercare di ricostruire le galassie lontane dalle strane forme prodotte dalle lenti.

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Ma gli astronomi che usavano il telescopio spaziale Hubble si sono imbattuti in una di queste strane forme mentre analizzavano i quasar, i nuclei ardenti delle galassie attive. Hanno individuato due oggetti luminosi e lineari che sembravano essere immagini speculari l’uno dell’altro. Un altro oggetto strano era nelle vicinanze.

Le caratteristiche hanno così confuso gli astronomi i quali hanno impiegato diversi anni per svelare il mistero. Con l’aiuto di due esperti di lenti gravitazionali, i ricercatori hanno determinato che i tre oggetti erano le immagini distorte di una galassia lontana e sconosciuta. Ma la sorpresa più grande è stata che gli oggetti lineari erano copie esatte l’uno dell’altro, un evento raro causato dal preciso allineamento della galassia di sfondo e dell’ammasso di lenti in primo piano.

Animazione 3D che mostra il telescopio spaziale Hubble sopra la Terra. Credito: ESA/Hubble
Animazione 3D che mostra il telescopio spaziale Hubble sopra la Terra. Credito: ESA/Hubble

Gli astronomi hanno visto alcune cose piuttosto strane sparse nel nostro vasto universo, dall’esplosione di stelle alle galassie in collisione. Quindi, penseresti che quando vedono uno strano oggetto celeste, sarebbero in grado di identificarlo.

Ma la NASA Hubble Space Telescope ha scoperto quello che sembra essere un paio di oggetti identici e ci sono voluti diversi anni per determinare quello che sono.

“Eravamo davvero perplessi”, ha detto l’astronomo Timothy Hamilton della Shawnee State University di Portsmouth, Ohio.

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Gli oggetti stravaganti sono costituiti da una coppia di rigonfiamenti galattici (il mozzo centrale pieno di stelle di una galassia), e almeno tre strisce divise quasi parallele. Hamilton li ha individuati per caso mentre utilizzava Hubble per esaminare una collezione di quasar, i nuclei ardenti delle galassie attive.

Dopo aver inseguito teorie senza uscita, sollecitato l’aiuto dei colleghi e fatto un sacco di grattacapi, Hamilton e il team in crescita, guidato da Richard Griffiths dell’Università delle Hawaii a Hilo, hanno finalmente messo insieme tutti gli indizi per risolvere il mistero.

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Gli oggetti lineari erano le immagini allungate di una galassia lontana con lenti gravitazionali, situata a più di 11 miliardi di anni luce di distanza. E sembravano essere immagini speculari l’una dell’altra.

Il team ha scoperto che l’immensa gravità di un ammasso di galassie in primo piano, non catalogato, stava deformando lo spazio, ingrandendo, illuminando e allungando l’immagine di una galassia lontana dietro di esso, un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Sebbene i sondaggi di Hubble rivelino molte di queste distorsioni a specchio causate dalle lenti gravitazionali, questo oggetto lasciava perplessi in modo unico.

In questo caso, un preciso allineamento tra una galassia sullo sfondo e un ammasso di galassie in primo piano produce copie doppie ingrandite della stessa immagine della galassia remota. 

Griffiths paragona questo effetto ai luminosi motivi ondulati visti sul fondo di una piscina. “Pensa alla superficie increspata di una piscina in una giornata di sole, che mostra modelli di luce intensa sul fondo della piscina”, ha spiegato. “Questi modelli luminosi sul fondo sono causati da un tipo di effetto simile a quello delle lenti gravitazionali. Le increspature sulla superficie fungono da lenti parziali e focalizzano la luce solare in luminosi motivi ondulati sul fondo”.

Nella galassia lontana con lenti gravitazionali, l’increspatura sta notevolmente ingrandendo e distorcendo la luce della galassia di sfondo che sta attraversando l’ammasso. L’increspatura agisce come uno specchio curvo imperfetto che genera le doppie copie.

Risolvere il mistero

Ma questo raro fenomeno non era ben noto quando Hamilton ha individuato le strane caratteristiche lineari nel 2013.

Mentre guardava attraverso le immagini del quasar, l’istantanea delle immagini specchiate e delle strisce parallele risaltava. Hamilton non aveva mai visto niente di simile prima, e nemmeno gli altri membri del team.

“Il mio primo pensiero è stato che forse stavano interagendo con le galassie con le braccia tese in direzione mareale”, ha detto Hamilton“Non si adattava molto bene, ma non sapevo cos’altro pensare.”

Così Hamilton e il team hanno iniziato la loro ricerca per risolvere il mistero di queste allettanti linee rette, in seguito soprannominate l’Oggetto di Hamilton per il suo scopritore. Hanno mostrato la strana immagine ai colleghi alle conferenze di astronomia, che hanno suscitato una varietà di risposte, dalle stringhe cosmiche alle nebulose planetarie.

Ma poi Griffiths, che non era un membro del team originale, ha offerto la spiegazione più plausibile quando Hamilton gli ha mostrato l’immagine a una riunione della NASA nel 2015. Era un’immagine ingrandita e distorta causata da un fenomeno di lente simile a quelli visti in Hubble immagini di altri massicci ammassi di galassie che amplificano immagini di galassie molto distanti. Griffiths ha confermato questa idea quando ha appreso di un oggetto lineare simile in uno dei sondaggi di Hubble sull’ammasso profondo.

I ricercatori, tuttavia, avevano ancora un problema. Non sono riusciti a identificare il gruppo di lenti. Normalmente, gli astronomi che studiano gli ammassi di galassie vedono prima l’ammasso in primo piano che sta causando la lente, e poi trovano le immagini ingrandite delle galassie lontane all’interno dell’ammasso. Una ricerca delle immagini della Sloan Digital Sky Survey ha rivelato che un ammasso di galassie risiedeva nella stessa area delle immagini ingrandite, ma non è apparso in nessun sondaggio catalogato. Tuttavia, il fatto che le strane immagini fossero al centro di un ammasso rese chiaro a Griffiths che l’ammasso stava producendo le immagini dell’obiettivo.

Il passo successivo dei ricercatori è stato determinare se le tre immagini dell’obiettivo erano alla stessa distanza, e quindi erano tutti i ritratti distorti della stessa galassia lontana. Le misurazioni spettroscopiche con gli osservatori Gemini e WM Keck alle Hawaii hanno aiutato i ricercatori a fare questa conferma, mostrando che le immagini ottenute con l’obiettivo provenivano da una galassia situata a più di 11 miliardi di anni luce di distanza.

Più o meno nello stesso periodo delle osservazioni spettroscopiche di Griffiths e degli studenti universitari a Hilo, un gruppo separato di ricercatori di Chicago ha identificato l’ammasso e ne ha misurato la distanza utilizzando i dati di Sloan. L’ammasso risiede a più di 7 miliardi di anni luce di distanza.

Ma, con pochissime informazioni sull’ammasso, il team di Griffiths stava ancora lottando su come interpretare queste insolite forme di lenti. “Questa lente gravitazionale è molto diversa dalla maggior parte delle lenti che sono state studiate prima da Hubble, in particolare nell’indagine sugli ammassi Hubble Frontier Fields”, ha spiegato Griffiths“Non è necessario fissare a lungo quegli ammassi per trovare molti obiettivi. In questo oggetto, questa è l’unica lente che abbiamo. E all’inizio non sapevamo nemmeno del cluster”.

Mappare l’invisibile

Fu allora che Griffiths chiamò un’esperta di teoria della lente gravitazionale, Jenny Wagner dell’Università di Heidelberg in Germania. Wagner aveva studiato oggetti simili e, con il collega Nicolas Tessore, ora all’Università di Manchester in Inghilterra, ha sviluppato un software per computer per interpretare obiettivi unici come questo. Il loro software ha aiutato il team a capire come sono nate tutte e tre le immagini con l’obiettivo. Hanno concluso che la materia oscura attorno alle immagini allungate doveva essere distribuita “senza intoppi” nello spazio su piccola scala.

“È fantastico che abbiamo solo bisogno di due immagini speculari per ottenere la scala di quanto la materia oscura possa essere grumosa o meno in queste posizioni“, ha detto Wagner“Qui non usiamo nessun modello di obiettivo. Prendiamo solo gli osservabili delle immagini multiple e il fatto che possono essere trasformate l’una nell’altra. Possono essere piegati l’uno nell’altro con il nostro metodo. Questo ci dà già un’idea di quanto debba essere liscia la materia oscura in queste due posizioni”.

Questo risultato è importante, ha affermato Griffiths, perché gli astronomi ancora non sanno cosa sia la materia oscura, quasi un secolo dopo la sua scoperta. “Sappiamo che è una qualche forma di materia, ma non abbiamo idea di quale sia la particella costituente. Quindi non sappiamo affatto come si comporta. Sappiamo solo che ha massa ed è soggetto alla gravità. Il significato dei limiti di dimensione sull’aggregazione o levigatezza è che ci dà alcuni indizi su cosa potrebbe essere la particella. Più piccoli sono gli ammassi di materia oscura, più massicce devono essere le particelle”.

Il documento del team appare sulla rivista The Monthly Notice of the Royal Astronomical Society.

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