Telescopio spaziale Hubble svela una nuova verità sulla nascita dell’universo

Negli ultimi anni, la comunità scientifica internazionale ha dedicato enormi sforzi per decifrare uno dei capitoli più affascinanti e complessi della nostra storia cosmica: il momento in cui l’universo primordiale è riuscito a emergere da una fitta coltre di nebbia oscura. Recentemente, un team di ricerca internazionale, che comprende anche illustri astronomi dell’Università del Michigan, ha effettuato una scoperta sorprendente grazie alle straordinarie capacità del telescopio spaziale Hubble della NASA. I risultati ottenuti stanno letteralmente mettendo in discussione una delle teorie più accreditate e diffuse nella fisica moderna riguardo a questo misterioso processo di transizione.

La grande nebbia cosmica e l’enigma della reionizzazione

Durante il primo miliardo di anni successivo al Big Bang, lo spazio tra le galassie non era affatto lo scenario limpido e stellato che possiamo ammirare oggi attraverso i moderni strumenti di osservazione. Al contrario, enormi quantità di idrogeno neutro riempivano ogni angolo del cosmo, agendo come una sorta di nebbia opaca e impenetrabile. Questa cortina gassosa aveva la proprietà fisica di assorbire tenacemente le radiazioni ultraviolette, impedendo a quella preziosa luce di viaggiare liberamente e di illuminare le vaste distanze intergalattiche.

La situazione cosmica subì una trasformazione radicale durante un’epoca fondamentale nota come reionizzazione, un processo grandioso iniziato circa tredici miliardi di anni fa. Durante questa fase, l’intensa radiazione energetica emessa dalle galassie primordiali trasformò gradualmente l’idrogeno circostante, strappando letteralmente gli elettroni dai rispettivi atomi e lasciando dietro di sé una combinazione di protoni con carica positiva ed elettroni liberi.

Con il progressivo aumento del livello di ionizzazione dell’idrogeno, la luce ultravioletta ottenne finalmente la capacità di propagarsi molto più lontano nello spazio, contribuendo in modo determinante a forgiare l’universo trasparente che gli astronomi osservano nell’epoca contemporanea. Come sottolinea Cody Carr, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università del Michigan:

“Alla fine, quando la maggior parte dell’idrogeno che riempiva lo spazio intergalattico si è ionizzata, la reionizzazione è terminata e l’universo che vediamo oggi è come lo vediamo. Definiamo la reionizzazione l’ultima grande transizione di fase dell’universo.”

Nonostante la sua immensa portata storica per l’evoluzione del cosmo, gli esperti non sono ancora riusciti a comprendere appieno quali specifici oggetti celesti abbiano generato la radiazione responsabile di questa immensa pulizia cosmica, né attraverso quali meccanismi una quantità così imponente di energia sia riuscita a fuoriuscire dalle prime galassie.

Il ribaltamento di una teoria consolidata sulle supernove

Per anni, la comunità scientifica ha cercato di dare una risposta a questo interrogativo concentrandosi sulle supernove, ovvero le potenti esplosioni che segnano la violenta conclusione del ciclo vitale di alcune stelle massicce. Secondo il modello teorico più accettato fino a oggi, queste colossali esplosioni avrebbero generato enormi venti stellari capaci di attraversare le galassie, spingendo con forza gas e polveri verso l’esterno.

Gli scienziati avevano ipotizzato che tali venti aprissero dei veri e propri varchi o canali di fuga attraverso la fitta coltre di gas circostante, permettendo così alla radiazione ultravioletta di propagarsi nello spazio intergalattico e di disgregare l’idrogeno neutro responsabile dell’antica nebbia universale. Tuttavia, le nuove e meticolose osservazioni condotte con il telescopio spaziale Hubble suggeriscono uno scenario diametralmente opposto.

I dati raccolti dai ricercatori indicano infatti che, contrariamente alle previsioni teoriche, i venti galattici più intensi non facilitano affatto la dispersione, ma sono invece associati a una minore quantità di radiazioni ionizzanti in uscita. In sostanza, l’energia rilasciata dalle supernove rende paradossalmente più difficile la fuga della luce ultravioletta. Come spiega Stephan McCandliss, autore senior dello studio e direttore del Center for Astrophysical Sciences della Johns Hopkins University:

“Sembra che l’energia immessa dalle supernove abbia rimescolato l’ambiente circostante e aumentato, anziché diminuito, la copertura di gas neutro e polvere che sopprime la fuga di radiazioni ionizzanti.”

Le galassie starburst e il ruolo cruciale delle giovani stelle

Per studiare nel dettaglio questi complessi fenomeni di fuoriuscita radiativa, il team internazionale ha indirizzato lo sguardo di Hubble verso le galassie starburst vicine. Si tratta di particolari sistemi galattici che stanno attraversando fasi di formazione stellare estremamente intensa, offrendo agli astronomi un modello moderno e accessibile delle galassie primordiali che hanno guidato la reionizzazione.

Analizzando gli spettri luminosi di queste galassie, i ricercatori hanno potuto esaminare la velocità e il movimento del gas circostante, scoprendo la sopracitata correlazione inversa tra la velocità dei venti e la quantità di fotoni ultravioletti in fuga. Questo risultato avvalora un’ipotesi alternativa e affascinante: i fotoni energetici potrebbero riuscire a fuggire dalle loro galassie prima che le stelle massicce esplodano come supernove e scatenino quei venti turbolenti capaci di bloccare la luce.

Le implicazioni di questa scoperta si estendono inevitabilmente anche alle simulazioni al computer dell’universo primordiale. Fino a oggi, la stragrande maggioranza dei modelli idrodinamici cosmologici ha assegnato un ruolo centrale e predominante alle supernove nel determinare la fuoriuscita delle radiazioni. A tal proposito, Renyue Cen, autore senior dello studio e direttore del Centro di Cosmologia e Astrofisica Computazionale presso l’Università di Zhejiang, evidenzia:

“I nostri risultati evidenziano la necessità di esaminare come le radiazioni e i venti provenienti dalle giovani stelle modellano il gas circostante prima che esplodano le prime supernove.”

Aggiornare i modelli teorici tenendo conto di queste dinamiche preliminari permetterà agli scienziati di ricostruire con maggiore precisione la vera storia della reionizzazione cosmica.

Approfondimenti tecnici dallo studio originale

• Lo studio intitolato “Suppression of ionizing photon escape by supernova feedback in starburst galaxies” è stato pubblicato ufficialmente su Nature Astronomy (DOI: 10.1038/s41550-026-02999-z).

• La ricerca ha analizzato campioni di galassie locali ad alto tasso di formazione stellare (starburst) utilizzando osservazioni spettroscopiche ad alta risoluzione nel lontano ultravioletto, rese possibili dalla strumentazione avanzata a bordo del telescopio spaziale Hubble.

• Il parametro chiave analizzato riguarda la frazione di fuga dei fotoni ionizzanti ($f_{esc}$), definita formalmente come la percentuale di fotoni con energia superiore a $13.6\text{ eV}$ (soglia di ionizzazione dell’idrogeno neutro) che riescono a superare il mezzo interstellare della galassia d’origine senza essere assorbiti o diffusi.

• I dati osservativi mostrano una correlazione negativa statisticamente significativa tra la dispersione di velocità del gas guidata dai venti di supernova ($v_{wind}$) e la frazione di fuga osservata ($f_{esc}$), smentendo i modelli teorici tradizionali basati sull’ipotesi di clearing dei canali gassosi tramite feedback esplosivo.

• L’analisi dimostra che il feedback energetico delle supernove agisce principalmente rimescolando e compattando le polveri e il gas neutro circostante ($\text{H I}$), incrementando la colonna di densità ottica e ostacolando ulteriormente la propagazione dei fotoni Lyman-continuum ($\text{LyC}$).

• I modelli teorici futuri dovranno integrare in modo rigoroso i meccanismi di feedback radiativo precoce associati ai venti stellari lenti e alla pressione di radiazione generata da associazioni di stelle giovani e massicce ($O$ e $B$ types) prima del loro collasso a supernova, ridefinendo i parametri delle simulazioni cosmologiche su scala galattica.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

L’abbondanza di galassie compatte e brillanti nell’ultravioletto, in fase di formazione stellare nell’Universo primordiale, indica che i fotoni ad alta energia (continuo di Lyman (LyC); λ < 912 Å) provenienti da stelle massicce da sole avrebbero potuto reionizzare il mezzo intergalattico. Tuttavia, l’efficienza con cui i fotoni LyC sfuggono a questi sistemi – e il ruolo relativo della radiazione, dei venti stellari e delle supernove nel regolare tale fuga – rimane incerta. In questo studio, utilizzando spettri a media risoluzione di sei galassie locali in fase di formazione stellare, altrimenti simili tra loro e caratterizzate da un’ampia gamma di età di formazione stellare, tracciamo direttamente l’emissione di un vento galattico multifase attraverso singole righe spettrali, insieme alle misurazioni della frazione di fuga di LyC. Troviamo che la fuga di LyC raggiunge il picco precocemente (<3 Myr), durante un periodo dominato da intensa radiazione e forti venti stellari, ma privo di un vento galattico veloce. Nei sistemi più evoluti (>3 Myr), rileviamo venti galattici più veloci, con maggiore larghezza equivalente e contenuto di polvere. Queste osservazioni suggeriscono che la fuga di LyC raggiunge il picco precocemente e viene successivamente soppressa dal lancio e dal successivo accumulo di massa di un vento generato da una supernova durante i primi ~10 milioni di anni di formazione stellare nelle galassie compatte in fase di formazione stellare.

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