Catturata immagine ad alta definizione di una connessione filamentosa tra una coppia di quasar vicini a z = 3

La scoperta offre una rara opportunità di osservare direttamente una delle strutture più grandi esistenti e potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio come le galassie crescono e si evolvono nel corso del tempo cosmico.

La struttura nascosta dell’universo

La cosmologia moderna suggerisce che la materia oscura costituisca circa l’85% di tutta la materia dell’Universo. Sebbene invisibile, si ritiene che la materia oscura formi una gigantesca struttura a rete composta da lunghi filamenti. Nei punti in cui questi filamenti si intersecano, si formano le galassie, che brillano intensamente.

Gli scienziati ritengono che questi filamenti agiscano anche come autostrade intergalattiche, convogliando il gas verso le galassie e alimentando la nascita di nuove stelle. Comprendere come questo gas si muove attraverso la rete cosmica è considerato essenziale per capire come si sviluppano le galassie.

Ma rilevare quel gas si è rivelato estremamente difficile. La maggior parte del gas intergalattico è stata osservata solo indirettamente, misurando come assorbe la luce proveniente da oggetti luminosi posti dietro di esso. L’idrogeno, l’elemento più abbondante nel cosmo, emette solo una debole luminescenza, il che rende le osservazioni dirette quasi impossibili con gli strumenti più datati.

Centinaia di ore di osservazioni al telescopio

Le nuove osservazioni sono state effettuate da ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca in collaborazione con scienziati del Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Il team ha utilizzato MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer), un potente strumento installato sul Very Large Telescope dell’European Southern Obervatory in Cile.

Nonostante la tecnologia avanzata, il progetto ha richiesto una delle campagne di osservazione MUSE più ambiziose mai condotte in una singola regione del cielo. I ricercatori hanno raccolto dati per centinaia di ore per rilevare il debole filamento con sufficiente chiarezza da consentire un’analisi dettagliata.

Lo studio, condotto da Davide Tornotti, dottorando presso l’Università di Milano-Bicocca, ha prodotto l’immagine più nitida mai catturata di un filamento cosmico che si estende per circa 3 milioni di anni luce. La struttura collega due galassie, ognuna delle quali contiene un buco nero supermassiccio attivo.

I risultati sono stati pubblicati su Nature Astronomy e forniscono un nuovo metodo per studiare le proprietà fisiche del gas all’interno dei filamenti intergalattici.

Un viaggio di 12 miliardi di anni attraverso lo spazio

“Catturando la debole luce emessa da questo filamento, che ha viaggiato per poco meno di 12 miliardi di anni per raggiungere la Terra, siamo stati in grado di caratterizzarne con precisione la forma”, spiega Davide Tornotti. “Per la prima volta, abbiamo potuto tracciare il confine tra il gas presente nelle galassie e il materiale contenuto nella rete cosmica attraverso misurazioni dirette.”

Per interpretare al meglio le osservazioni, i ricercatori hanno confrontato i dati con simulazioni dell’Universo realizzate al MPA tramite supercomputer. Queste simulazioni prevedevano l’aspetto che tali strutture filamentose dovrebbero avere secondo gli attuali modelli cosmologici.

“Confrontando i dati con la nuova immagine ad alta definizione della rete cosmica, riscontriamo una sostanziale concordanza tra la teoria attuale e le osservazioni”, aggiunge Tornotti.

Nuovi indizi sulla formazione delle galassie

La buona corrispondenza tra osservazioni e simulazioni offre agli scienziati maggiore fiducia nella loro comprensione di come il gas si distribuisce attorno alle galassie e di come queste ricevano il materiale necessario per continuare a formare stelle.

I ricercatori sperano ora di identificare molte altre di queste deboli strutture al fine di costruire un quadro più ampio di come la materia fluisce attraverso la rete cosmica.

Fabrizio Arrigoni Battaia, scienziato del MPA coinvolto nello studio, conclude: “Siamo entusiasti di questa osservazione diretta e ad alta definizione di un filamento cosmico. Ma come si dice in Baviera: ‘Eine ist keine’ – uno non conta. Quindi stiamo raccogliendo ulteriori dati per scoprire altre strutture simili, con l’obiettivo finale di avere una visione completa di come il gas è distribuito e fluisce nella rete cosmica.”

I filamenti che collegano gli aloni sono una previsione di lunga data delle teorie sulla materia oscura fredda. Qui presentiamo la rilevazione dell’emissione della rete cosmica che collega due galassie ospiti di quasar a redshift z ≈ 3,22 nel MUSE Ultra Deep Field (MUDF), osservata con lo strumento Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE). Le osservazioni a profondità elevatissime permettono di ottenere una visione ad alta definizione della morfologia del filamento, una misura del raggio di transizione tra il mezzo intergalattico e quello circumgalattico e la caratterizzazione dei profili di brillanza superficiale lungo il filamento e nella direzione trasversale. Attraverso confronti sistematici con simulazioni, convalidiamo la densità tipica dei filamenti prevista dall’attuale modello di materia oscura fredda. La nostra analisi del MUDF, un eccellente laboratorio per lo studio quantitativo dei filamenti in emissione, apre una nuova strada per vincolare le proprietà fisiche della rete cosmica e per tracciare la distribuzione della materia oscura su larga scala.